DE102010017168B4

DE102010017168B4 - Anordnung mitVerfahren zum Kühlen Wärme erzeugender Bauteile

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Publication number: DE102010017168B4
Application number: DE201010017168
Authority: DE
Inventors: Dietmar Schneck
Original assignee: Refusol GmbH
Current assignee: AEI Power GmbH
Priority date: 2010-05-31
Filing date: 2010-05-31
Publication date: 2014-04-10
Anticipated expiration: 2030-06-01
Also published as: WO2011151253A1; EP2578070A1; DE102010017168A1

Abstract

Kühlanordnung (14) zum Kühlen Wärme erzeugender Bauteile, insbesondere Leistungselektronikbauteile, mit einem Volumenkörper (31), der ein Gehäuse (2) aufweist und eine Druckkammer (17) begrenzt; mit wenigstens zwei Einlasskanälen (16a, 16b, 16c), die jeweils von einer Einlassöffnung (13a, 13b, 13c), die an dem Gehäuse (2) ausgebildet sind, zu der Druckkammer (17) führen; mit einem jedem dieser Einlasskanäle (16a, 16b, 16c) zugeordneten Lüfter (22a, 22b, 22c), der eingerichtet ist, um Luft durch die jeweilige eine Einlassöffnung (13a, 13b, 13c) anzusaugen und durch den jeweiligen Einlasskanal (16a, 16b, 16c) hindurch in die Druckkammer (17) zu treiben; mit einem jedem dieser Einlasskanäle (16a, 16b, 16c) zugeordneten Kühlkörper (19a, 19b, 19c) zur Montage der zu kühlenden Wärme erzeugenden Bauteile, der einen Kühlkörperkanal (27a, 27b, 27c) für eine durchströmende Luft bildet, der den jeweiligen Einlasskanal (16a, 16b, 16c) mit der Druckkammer (17) strömungsmäßig verbindet; mit wenigstens einem Auslasskanal (18a, 18b, 18c), der von der Druckkammer (17) zu einer Auslassöffnung (29) führt, um im Betrieb von den Lüftern (22a, 22b, 22c) durch die Einlasskanäle (16a, 16b, 16c) und die Kühlkörperkanäle (27a, 27b, 27c) in die Druckkammer (17) getriebene Luft durch die Auslassöffnung (29) austreten zu lassen; und mit Mitteln (21a, 21b; 28a, 28b, 28c; 21a, 21b; 38a, 38b, 38c), die eingerichtet sind, um im Betrieb beim Ausfall wenigstens eines der Lüfter (22a, 22b, 22c), sofern wenigstens ein Lüfter noch arbeitet, aufgrund eines Überdruckaufbaus in der Druckkammer (17) ohne Betätigung irgendwelcher Klappen oder Verschlussmechanismen eine Umkehrung der Luftströmungsrichtung durch den dem ausgefallenen Lüfter zugeordneten Einlasskanal (16a, 16b, 16c) zu bewirken, so dass Luft in umgekehrter Richtung von der Druckkammer (17), durch den diesem Einlasskanal zugehörigen Kühlkörperkanal und diesen Einlasskanal strömt und durch die zugehörige Einlassöffnung austritt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum Kühlen Wärme erzeugender Bauteile, insbesondere leistungselektronischer Bauteile, unter Ermöglichung eines lüfterredundanten Betriebs.
Die Abführung von Wärme ist in Elektronikgeräten eine wichtige Voraussetzung für eine einwandfreie Funktion. Dies gilt insbesondere auch für die Leistungselektronik, wie sie beispielsweise im Bereich der Antriebstechnik, Energietechnik, Solartechnik oder Medizintechnik zur Umformung elektrischer Energie eingesetzt wird und die hohe Wärmemengen freisetzt. Die Leistungselektronikteile in diesen Bereichen werden bedingt durch den Einsatz moderner leistungselektronischer Komponenten, wie z. B. IGBT-Schalter oder dergleichen, immer kompakter. Dementsprechend müssen auch die dafür notwendigen Komponenten zur Kühlung bzw. Wärmeabführung immer leistungsfähiger werden.
Üblicherweise werden zur Abführung von Wärme Lüftungsöffnungen in den Gehäusen, Kühlkörper und in zunehmendem Maße auch Lüfter eingesetzt. Letztere bewirken eine erhebliche Steigerung des Gehäuseluftdurchsatzes und ermöglichen dadurch eine Verkleinerung der eingesetzten Kühlkörper, eine höhere Packungsdichte und gefälligere Gehäuseformen.
Als Lüfter werden meist bürstenlose Lüfter mit elektronischer Kommutierung eingesetzt, die keinen mechanischen Schleifkontakt zum Anker haben. Dadurch lassen sich Geräusch- und Verschleißprobleme reduzieren. Gleichwohl bleiben Lüfter bei den vorstehend genannten Anwendungen in den meisten Fällen die einzigen Bauteile, die bewegt werden und einem mechanischen Verschleiß, z. B. an ihren Lagern, unterworfen sind. Ein verschlissenes Lager kann zu einer reduzierten Drehzahl oder sogar vollständiger Klemmung des Lüfters führen, was eine Überhitzung der Gerätekomponenten herbeiführen und gegebenenfalls eine Beschädigung und einen Ausfall des Gerätes zur Folge haben kann. In vielen Anwendungsfällen sind aber Geräteausfälle kostenintensiv und nicht akzeptabel.
Zur Lösung dieses Problems sind in der Technik unterschiedliche Lösungsansätze vorgeschlagen worden. Beispielsweise ist vorgeschlagen worden, das Gesamtsystem insgesamt redundant aufzubauen, also z. B. ein zusätzliches Elektronikgerät vorzusehen, auf das im Bedarfsfalle umgeschaltet wird. Dies steigert jedoch den Gesamtaufwand und die Kosten wesentlich. Außerdem ist vorgeschlagen worden, Leistungsteile mit höherer Anzahl von Lüftern auszustatten und den Luftweg mit Luftklappen oder dergleichen zu steuern, die entweder über den Luftstrom selbstständig oder elektro-mechanisch betätigt werden. Hierfür sind jedoch wiederum verschleißbehaftete Komponenten, wie Verstellantriebe, Endschalter, etc., erforderlich. Gleiches gilt auch für Lösungsansätze, die zum Abschotten eines ausgefallenen Lüfters eine Verschlussmechanik einsetzen, die bedarfsweise einen lufttechnischen Kurzschluss unterbricht. Darüber hinaus sind auch Lösungen bekannt, die die doppelte Anzahl von Lüftern einsetzen, von denen jeweils zwei in Reihe zueinander, einer am Lufteintritt und ein zugehöriger zweiter am Luftaustritt, angeordnet sind. Damit kann ein Ausfall eines Lüfters durch den zugehörigen zweiten kompensiert werden.
Wenngleich diese Lösungsansätze einen lüfterredundanten Betrieb ermöglichen, weisen sie insbesondere den Nachteil auf, dass die Schaffung der Redundanz mit relativ hohen zusätzlichen Kosten und einer deutlich erhöhten Komplexität des Gesamtsystems verbunden ist. Zum Teil sind auch die Betriebskosten durch den erhöhten Strombedarf z. B. der zusätzlich in Reihe vorgesehenen Lüfter vergrößert. Außerdem lässt sich mit den meisten Lösungsansätzen ein „doppelter” Lüfterausfall, also ein gleichzeitiger Ausfall von zwei Lüftern, nicht beherrschen.
DE 20 2006 003 069 U1 beschreibt ein Klimagerät zur Durchführung von Klimatisierungsfunktionen zur Klimatisierung von Räumen, in denen Wärme abgebende elektrische oder elektronische Einrichtungen angeordnet sind, mit einem Gerätegehäuse, das an einer Wand des zu klimatisierenden Raumes durch diese hindurchragend angeordnet ist. Das Klimagerät weist ein Hauptgerät mit sämtlichen zur Durchführung der Klimatisierungsfunktionen des Klimageräts erforderlichen Einrichtungen auf, zu denen eine Außenluft-, Fortluft-, Zuluft- und Abluftöffnung mit zugehörigen Kanälen, ein Fortluft- und ein Zuluftventilator und eine Kälteanlage mit einem Kondensator, einem Kompressor und einem Verdampfer gehören. Das Klimagerät weist ferner ein Zusatzgerät auf, das einen Teil dieser Einrichtungen als redundante Einrichtungen enthält und mit dem Hauptgerät über einen gemeinsamen Außenluft- und Fortluftströmungsweg verbunden ist. Im Redundanzbetrieb erfüllt das Zusatzgerät alleine die Klimatisierungsfunktion, wobei durch Betätigung eines Klappensystems das Hauptgerät mit der Kälteanlage von dem Zusatzgerät isoliert wird, um unerwünschte Rückluftströmungen zwischen dem Hauptgerät und dem Zusatzgerät zu vermeiden.
DE 298 15 962 U1 beschreibt ein Klima- bzw. Lüftungsgerät, das eine Einhausung und Anschlussmöglichkeiten zur Zu- bzw. Abfuhr von kalter bzw. warmer Luft, zwei hintereinander geschaltete Ventilatoren und einen zwischen den Ventilatoren angeordneten Wärmetauscher aufweist, der zur Kühlung und zur Gleichrichtung der Luftströmung dient. Es ist erwähnt, dass beim Ausfall eines Ventilators der verbleibende Ventilator im Notbetrieb mit höherer Drehzahl betrieben werden kann.
DE 195 07 918 A1 beschreibt eine Klimaanlage für Sicherheitscontainer zur Aufbewahrung von EDV-Geräten mit einem Geräteraum und einem gerätelosen kühlbaren Stauraum, wobei dazwischen ein Lüftergebläse und ein Verdampfer angeordnet sind. Diese können auch redundant ausgelegt sein DE 299 14 892 U1 beschreibt eine Regelungseinrichtung zur Volumenstromregelung eines Gebläses, wobei Rückfallmittel vorgesehen sind, um bei einem Fehler oder Ausfall von Geräten das Gebläse über ein Notfallprogramm zu steuern.
DE 43 43 610 C2 beschreibt eine Vorrichtung zur Speisung von Ventilatoren eines Klimagerätes. Das Klimagerät weist einen Außenlufteinlass, zwei Fortluftauslässe, einen Zuluftauslass und einen Ablufteinlass sowie Strömungswege, Ventilatoren, einen Kondensator, einen Verdampfer und bewegbare Klappen auf, die einen Umluft- oder einen Mischbetrieb ermöglichen und redundant ausgelegt sind. Die Vorrichtung zur Speisung der Ventilatoren ist sowohl zur Speisung aus einem Wechsel- oder Drehstromnetz als auch zur Speisung aus einer Gleichspannungsquelle, bspw. einer Batterie, eingerichtet und weist zur Spannungsanpassung einen Gleichspannungswandler und einen Wechselrichter auf.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein lüfterredundantes Kühlsystem zu schaffen, das die vorstehend erwähnten Unzulänglichkeiten überwindet. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine effiziente Kühlanordnung und ein effizientes Kühlverfahren zum Kühlen Wärme erzeugender Bauteile, insbesondere Leistungselektronikbauteile für Antriebs-, Energie- und Solaranlagen, zu schaffen, die einen lüfterredundanten Betrieb beim einfachen Aufbau auf kostengünstige Weise ermöglichen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine derartige Kühlanordnung und ein derartiges Kühlverfahren zu schaffen, die auch einen „doppelten” Lüfterausfall beherrschen.
Diese Aufgaben werden durch die erfindungsgemäße Kühlanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und das erfindungsgemäße Kühlverfahren nach Anspruch 16 gelöst.
Die erfindungsgemäße Kühlanordnung zum Kühlen Wärme erzeugender Bauteile, insbesondere Leistungselektronikbauteile, weist einen Volumenkörper auf, der ein Gehäuse aufweist und eine Druckkammer, wenigstens zwei Einlasskanäle, die jeweils von einer Einlassöffnung an dem Gehäuse zu der Druckkammer führen, und wenigstens einen Auslasskanal definiert, der von der Druckkammer zu einer Auslassöffnung führt. Einem jeden dieser Einlasskanäle sind ein Lüfter und ein Kühlkörper zur Montage der zu kühlenden Wärme erzeugenden Bauteile zugeordnet. Der Lüfter ist eingerichtet, um Luft durch die Einlassöffnung anzusaugen und durch den Einlasskanal hindurch in die Druckkammer zu treiben, während der Kühlkörper einen Kühlkörperkanal für eine durchströmende Luft bildet, der den Einlasskanal mit der Druckkammer strömungsmäßig verbindet. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind ferner Mittel vorgesehen, die eingerichtet sind, um im Falle eines Ausfalls wenigstens eines der Lüfter im Betrieb, sofern wenigstens ein Lüfter noch arbeitet, automatisch aufgrund eines Überdruckaufbaus in der Druckkammer ohne Betätigung irgendwelcher Klappen oder Verschlussmechanismen eine Umkehrung der Luftstömung durch den dem ausgefallenen Lüfter zugeordneten Einlasskanal zu bewirken, so dass Luft in umgekehrter Richtung von der Druckkammer, durch den diesem Einlasskanal zugehörigen Kühlkörperkanal und diesen Einlasskanal strömt und durch die zugehörige Einlassöffnung austritt.
Im Normalbetrieb gelangt also die von den Lüftern durch die Einlasskanäle und die Kühlkörperkanäle in die Druckkammer getriebene Luft zu dem wenigstens einen Auslasskanal und tritt dann durch die Auslassöffnung aus. Dabei wird an den Kühlkörpern montierten Bauteilen Wärme entzogen und in die Umgebung abführt. Beim Ausfall wenigstens eines der Lüfter wird ein Anteil der Luft in der Druckkammer abgezweigt und durch den Kühlkörper, den Einlasskanal und die Einlassöffnung, die dem ausgefallenen Lüfter zugeordnet sind, ausgegeben. Vorteilhafterweise kann trotz des ausgefallenen Lüfters der zugehörige Kühlkörper weiterhin luftdurchströmt und zur Kühlung herangezogen werden.
Der Erfindung liegt das Prinzip zugrunde, dass der Luftstrom in einem Kühlkörper, der lufttechnisch mit einem Lüfter versehen ist, bei einem Ausfall von diesem reversiert wird, d. h. seine Richtung ändert. Die Lüfter sind aber nur unidirektional antreibbar, ermöglichen selbst also keinen reversiblen Betrieb. Vielmehr wird dies allein durch die erfindungsgemäßen Mittel zur Luftströmungsrichtungsumkehr bewerkstelligt. Dies ist insbesondere wichtig, wenn ein Verschleiß beispielsweise der Lager eines Lüfters ein Klemmen desselben herbeiführt, so dass ein Antreiben des Lüfters gar nicht möglich wäre. Vorteilhafterweise wird der lüfterredundante Betrieb ohne wesentlich zusätzliche Komponenten und Kosten ermöglicht. Auch sind hierzu keine bewegten Luftklappen oder Verschlussmechanismen erforderlich.
Der Volumenkörper weist vorzugsweise ein Gehäuse auf, das abgesehen von den Einlass- und Auslassöffnungen nach außen im Wesentlichen abgeschlossen ist. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Einlassöffnungen unterschiedlicher Einlasskanäle in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet. Damit kann ein Wiederansaugen erwärmter Luft, die im Falle eines Lüfterausfalls durch eine Einlassöffnung ausströmt, in die anderen Einlassöffnungen weitgehend vermieden werden. Die Erfindung lässt sich vorteilhafterweise für Anwendungen einsetzen, bei denen eine Gerätezugänglichkeit von mehreren Seiten möglich ist, insbesondere für Anwendungen im Außenbereich.
In einer minimalen Konfiguration sind zwei Einlasskanäle mit jeweils einem Lüfter und einem Kühlkörper und nur ein Auslasskanal vorgesehen. Es können aber auch wenigstens drei Einlasskanäle vorgesehen sein, um auch einen Ausfall von zwei oder mehreren Lüftern bewältigen zu können. Alternativ oder zusätzlich können auch zwei oder mehrere voneinander unabhängige Auslasskanäle vorgesehen sein.
Die Lüfter sind vorzugsweise Axiallüfter, die jeweils in dem Einlasskanal derart angeordnet sind, dass ihre Drehachse im Wesentlichen in Längsrichtung des Einlasskanals ausgerichtet ist. Die Saugseite des Lüfters zeigt also zu der Einlassöffnung hin, während seine Druckseite der gemeinsamen Druckkammer zugewandt ist. Dadurch kann eine kompakte und effiziente Anordnung geschaffen werden. Prinzipiell lassen sich aber auch Radial-, Zentrifugal-, Tangential- und andere Lüfter verwenden, wenn gegebenenfalls zusätzliche Leit- und Umlenkmittel eingesetzt werden.
Die Lüfter sind vorzugsweise elektrisch antreibbar, wobei hinsichtlich des Geräusch- und Verschleißverhaltens bürstenlose Lüfter mit elektronischer Kommutierung vorzuziehen sind. Außerdem lassen sich derartige Lüfter auch vorteilhafterweise hinsichtlich ihrer Drehzahl oder Leistung steuern bzw. regeln.
Die Kühlkörper in der erfindungsgemäßen Kühlanordnung haben die Aufgabe, Verlustwärme durch Wärmeleitung von den wärme erzeugenden Bauelementen wegzuleiten und diese dann durch Wärmestrahlung und Konvektion an die Umgebung abzugeben. Derartige Kühlkörper sind aus der Technik in unterschiedlichen Bauformen allgemein bekannt und können hier genutzt werden. Sie weisen eine relativ große Oberfläche bezogen auf das Volumen auf und bestehen aus einem gut wärme leitenden Material, wie Aluminium oder Kupfer oder aus einem keramischen Werkstoff. Sie können im Strangguss- oder Pressverfahren erzeugt, aus einem Formmaterial gefräst, aus gestanzten oder geformten Blechen oder in sonstiger Form gebildet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kühlkörper ein Profilkörper, beispielsweise aus Aluminium, der wenigstens eine ebene Fläche, die sich zur Montage von Bauteilen, wie Leiterplatten oder dergleichen, eignet und wenigstens eine Oberfläche mit Kühlrippen aufweist, die den oberflächenreichen Kühlkörperkanal definiert bzw. wenigstens teilweise begrenzt. Die Kühlrippen können z. B. parallel zueinander, längs des Kanals verlaufen. Es sind aber auch andere Gestaltungen der Rippen bzw. des Kanals möglich.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist jeder Kühlkörper am Übergang zwischen dem Einlasskanal und der Druckkammer angeordnet. Dies ergibt einen einfachen und übersichtlichen Aufbau und stellt sicher, dass Luft sowohl im normalen als auch im reversierten Betrieb durch den Kühlkörperkanal strömt.
Wenn die Einlasskanäle in horizontaler oder vertikaler Richtung nebeneinander angeordnet sind, kann auch ein in einem Stück integral ausgebildeter oder aus mehreren Elementen zu einem zusammenhängenden Teil zusammengefügter Kühlkörper eingesetzt werden. Dadurch können die zu handhabende Teileanzahl und der Montageaufwand reduziert werden.
Die erfindungsgemäßen Mittel zur Strömungsrichtungsumkehr sind durch eine vorteilhafte Gestaltung und Auslegung der Komponenten der Kühlanordnung, insbesondere des Gehäuses, der Einlass- und Auslasskanäle der Druckkammer und/oder der Lüfter hinsichtlich der Volumenströme und -richtungen und der Strömungswiderstände gebildet. Diese sind so ausgelegt, dass beim Ausfall eines der Lüfter in der Druckkammer ein hinreichend großer Überdruck aufgebaut wird, der Luft aus der Druckkammer durch den Einlasskanal des ausgefallenen Lüfters drückt. Der Überdruck in der Druckkammer ist gegenüber dem Druck der Außenumgebung um wenigstens den Differenzdruck, der sich an dem ausgefallenen Lüfter einstellt, und die Druckverluste in dem Kühlkörperkanal und dem Einlasskanal höher.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung gehören zu den Mitteln zur Strömungsrichtungsumkehr ein oder mehrere Auslasskühlkörper, die jeweils einem entsprechenden Auslasskanal zugeordnet sind. Die Auslasskühlkörper sind prinzipiell ähnlich wie die Einlasskühlkörper gestaltet und vorzugsweise unmittelbar vor dem Zugang zu dem Auslasskanal in der Druckkammer angeordnet. Somit können auch dort z. B. Leistungselektronikbauteile angebracht und gekühlt werden. Die Ausgangskühlkörper weisen vorzugsweise gegenüber den Einlasskühlkörpern einen größeren Strömungswiderstand auf, indem sie beispielsweise länger gestaltet sind und/oder engere Rippen tragen. Vorteilhafterweise können so genannte Hochleistungskühler eingesetzt werden, die einen sehr geringen Rippenabstand und dadurch eine äußerst große auf das Volumen bezogenen Oberfläche aufweisen. Somit weisen sie von Natur aus einen erhöhten Strömungswiderstand bzw. Druckverlust auf. Sie fördern dadurch den Aufbau eines hinreichend großen Überdrucks in der Druckkammer für der Reversionsbetrieb.
Zu den erfindungsgemäßen Mitteln zur Strömungsrichtungsumkehr gehört vorzugsweise eine Trenneinrichtung, die die Einlasskanäle derart voneinander trennt, dass durch einen einzelnen Einlasskanal strömende Luft sich nicht mit der Luft eines anderen Einlasskanals vermischen kann. Die Trenneinrichtung kann durch die Wände eines Kanals gebildet sein, wenn die Einlasskanäle im Abstand zueinander angeordnet sind. Bei einer Nebeneinanderanordnung von Einlasskanälen kann die Trenneinrichtung einfach durch Trennwände bzw. -bleche gebildet sein. Die Trenneinrichtung dient gleichzeitig als Führungseinrichtung, um die Luft gezielt durch den jeweiligen Einlasskanal bis zu dem zugehörigen Kühlkörper zu führen, so dass diese durch den Einlasskühlkörper hindurch in die Druckkammer gedrückt wird. Ein lufttechnischer Kurzschluss in dem Sinne, dass Luft von einem Einlasskanal zu dem anderen Einlasskanal übertritt, ohne die Kühlkörper zu durchströmen, wird dadurch vermieden. Insofern ist es wichtig, dass die Trennwände sich bis in die unmittelbare Nähe der Einlasskühlkörper erstrecken.
Alternativ oder zusätzlich zu den Auslasskühlkörpern kann in der Druckkammer auch eine Umlenkeinrichtung in Form von Umlenkblechen oder sonstigen Leitelementen vorgesehen sein, die den Luftstrom in der Druckkammer umlenken. Wenn die Luft die Umlenkbleche umströmt, wird an den Einlasskanälen zugewandten Stellen der Umlenkeinrichtung ein Staudruck erzeugt, der beim Ausfall eines Lüfters ausreicht, um Luft durch den dem ausgefallenen Lüfter zugehörigen Einlasskühlkörper und Einlasskanal zurückzudrücken.
Insbesondere wenn die Lüfter hinsichtlich ihrer Drehzahl oder Leistung elektronisch steuerbar sind, ist zur Steuerung der Lüfter eine Steuereinrichtung vorgesehen. Die Steuereinrichtung steuert die Lüfter entsprechend voreingestellten Sollwerten oder kann auch als ein geschlossener Regelkreis ausgeführt sein, der beispielsweise in Abhängigkeit von der Wärmeerzeugung in dem Gerät oder sonstigen Parametern die Betriebsweise der Lüfter steuert. Die Steuereinrichtung kann mit einer Sensoreinrichtung gekoppelt sein, die z. B. die Temperatur innerhalb des Gerätes erfasst, so dass die Steuereinrichtung dann die Drehzahl bzw. Leistung der Lüfter an die tatsächlichen Temperaturverhältnisse anpassen kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinrichtung in der Lage, bei einem Ausfall eines oder mehrerer Lüfter diesen bzw. diese über zugehörige Schaltelemente elektrisch abzuschalten und somit gezielt zum Stillstand zu bringen. Dies hilft, Konfliktzustände, wie beispielsweise zu langsam laufende Lüfter, zu vermeiden und ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der reversierte Betrieb eine bessere Kühlung erzielt.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Steuereinrichtung ferner eine Steuerlogik für die Lüfter auf, die im Normalbetrieb die Lüfter mit einer reduzierten Drehzahl bzw. Leistung ansteuert und bei Ausfall wenigstens eines der Lüfter die anderen, intakten Lüfter mit erhöhter Drehzahl bzw. Leistung ansteuert. Die Lüfter werden also mit ausreichender Leistungsreserve ausgelegt. Der Teillastbetrieb der Lüfter im Normalbmodus erhöht deren Lebensdauer. In dem Reversionsbetriebsmodus können die funktionsfähigen Lüfter bis zu ihrer Leistungsgrenze betrieben werden, so dass das Gesamtsystem ohne Einschränkungen mit ausreichender Wärmeableitung arbeiten kann. Selbst beim Ausfallen mehrerer Lüfter kann das Gesamtsystem mit einer gewissen Leistungsminderung weiter betrieben werden.
Bei Anwendungen im Außenbereich, wie beispielsweise bei Wechselrichtern für Photovoltaik-, Windkraftanlagen oder dergleichen, für die sich die vorliegende Erfindung besonders eignet, kann die Steuereinrichtung um eine weitere Funktionalität eines Reinigungsmodus erweitert werden. Bei diesen Anwendungen sind die Lufteinlässe für die Kühlung dieser Anlagen zum Schutz vor groben Verunreinigungen meist mit Gittern oder Sieben versehen. Diese können sich mit Laub, Plastikfolien, Papier, etc. zusetzten. Diesbezüglich kann die erfindungsgemäße Steuereinrichtung eingerichtet sein, um in periodischen Reinigungsmodi einzelne Lüfter gezielt auszuschalten, damit der in dem zugehörigen Einlasskanal reversierte Luftstrom das Gitter oder Sieb an dem Einlass durchblasen und somit von Verunreinigungen befreien kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Wechselrichter mit einer Wechselrichteranordnung zur Umwandlung von Gleichspannung, insbesondere Solargeneratorspannung, in Wechselspannung, insbesondere Netzspannung eines Versorgungsnetzes geschaffen. Der Wechselrichter weist eine erfindungsgemäße Kühlanordnung auf, wie sie vorstehend beschrieben ist. Die Kühlanordnung und die Wechselrichteranordnung sind in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht, wobei die Leistungsbauteile des Wechselrichters auf den Kühlkörpern der Kühlanordnung montiert sind. Die Kühlanordnung ist vorzugsweise zur Führung der Luft von einer Seite zur anderen Seite des Gehäuses quer durch den Innenraum, also zur horizontalen Kühlung eingerichtet. Somit kann der Wechselrichter sowohl in einer freistehenden als auch an seiner Rückseite montierten Anordnung betrieben werden. Bedarfsweise kann die Kühlanordnung auch zur vertikalen Kühlung oder für eine andere Kühlrichtung eingerichtet sein.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Kühlen Wärme erzeugender Bauteile, insbesondere Leistungselektronikbauteile, geschaffen. Demnach wird ein Volumenkörper mit einem Gehäuse bereitgestellt, das eine Druckkammer, wenigstens zwei Einlasskanäle, die jeweils von einer Einlassöffnung an dem Gehäuse zu der Druckkammer führen, und wenigstens einen Auslasskanal definiert, der von der Druckkammer zu einer Auslassöffnung führt. Ferner werden elektrisch antreibbare Lüfter in jedem der Einlasskanäle angeordnet, während ein Kühlkörper, der die zu kühlenden Wärme erzeugenden Bauteile trägt, angrenzend an den Einlasskanal am Eintritt zu der Druckkammer angeordnet wird.
Im Normalbetrieb werden die Lüfter bevorzugt in gesteuerter oder geregelter Weise betrieben, um Luft durch die Einlassöffnungen einzusaugen und durch die Einlasskanäle hindurch, vorbei an den Kühlkörpern in die Druckkammer zu drucken und die Luft durch den wenigstens einen Auslasskanal austreten zu lassen. Der oder die Auslasskanäle weisen vorzugsweise ebenfalls Kühlkörper mit zu kühlenden Bauteilen auf.
Gemäß dem erfindungsgemäß Verfahren wird in dem Fall, dass ein Lüfterausfall eintritt, sofern wenigstens ein anderer Lüfter noch arbeitet, automatisch ein Überdruck in der Druckkammer aufgebaut, durch den ein Anteil der in die Druckkammer einströmenden Luft durch den Kühlkörper und in den Einlasskanal hinein, die dem ausgefallenen Lüfter zugeordnet sind, abgeleitet wird, so dass die Luft in umgekehrter Richtung durch den diesem Einlasskanal zugehörigen Kühlkörperkanal und diesen Einlasskanal strömt und durch die zugehörige Einlassöffnung austritt. Dies wird automatisch, alleine durch die Ausgestaltung und strömungsmäßige Auslegung der erfindungsgemäßen Kühlanordnung erzielt, ohne dass eine Steuerung oder Person eingreift, irgendwelche Luftklappen oder Verschlusseinrichtungen betätigt werden oder irgendein Lüfter in umkehrter Drehrichtung betrieben wird.
Die vorstehenden Ausführungen hinsichtlich der Merkmale, Weiterbildungen und Vorteile der erfindungsgemäßen Kühlanordnung gelten sinngemäß auch für den erfindungsgemäßen Wechselrichter und das erfindungsgemäße Kühlverfahren entsprechend.
Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung und den Unteransprüchen. In der Zeichnung sind lediglich zu Veranschaulichungszwecken Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht, die diese in keiner Weise beschränken sollen. Es zeigen:
1 eine Perspektivansicht eines Wechselrichters gemäß der vorherigen Erfindung mit einem geschlossenen Gehäuse;
2 den Wechselrichter nach 1 bei geöffnetem Gehäuse in einer Perspektivansicht im leicht vergrößerten Maßstab und mit anderer Blickrichtung von der Seite;
3a–3c Draufsichten auf eine erfindungsgemäße Kühlanordnung, die in dem Wechselrichter nach 1 und 2 eingesetzt werden kann, in einer vereinfachten Darstellung unter Veranschaulichung unterschiedlicher Betriebsmodi im Normalbetrieb, bei einem ausgefallenen Lüfter bzw. bei zwei ausgefallenen Lüftern;
4a und 4b eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung mit einer minimalen Konfiguration der Einlasskanäle in Draufsicht, in einer stark vereinfachten Darstellung, unter Veranschaulichung des Normal- und des Reversionsbetriebs;
5a und 5b eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung in Draufsicht, in einer stark vereinfachten Darstellung unter Veranschaulichung des Normal- und des Reversionsbetriebs;
6A und 6B eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung in Draufsicht, in stark vereinfachter Darstellung unter Veranschaulichung des Normal- und des Reversionsbetriebs;
7 ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Kühlen von Wärme erzeugenden Bauteilen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
1 veranschaulicht in einer vereinfachten Perspektive einen erfindungsgemäßen Wechselrichter 1, der beispielsweise für eine photovoltaische Solaranlage zur Erzeugung von Wechselspannung aus einer Gleichspannung vorgesehen sein kann. Der Wechselrichter 1 ist für den Einsatz im Außenbereich bestimmt und wird in bekannter Weise mit einem hier nicht näher dargestellten Solargenerator einerseits und andererseits mit Anschlüssen z. B. eines öffentlichen Versorgungsnetzes (nicht veranschaulicht) verbunden.
Der Wechselrichter 1 ist nach Art eines Schaltschranks mit einem Gehäuse 2 ausgebildet, das nach außen im Wesentlichen abgeschlossen ist und einen Innenraum 3 (2) definiert. In 1 ist das Gehäuse 2 geschlossen und weist eine Oberseite 4, eine Unterseite 6, die auch als Standfläche dient, eine Vorderseite 7, eine Rückseite 8 und zwei schmale Seitenflächen 9, 11 auf. Auf der schmalen Seite 9 ist eine Abdeckung 12 montiert, die Einlassöffnungen 13a, 13b und 13c in Form einer gitterartigen Anordnung von Schlitzen trägt, die zu einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung 14 gehören, wie sie nachstehend näher beschrieben ist. Die Abdeckung 12 weist hier eine im Querschnitt trapezförmige Form mit unterschiedlich ausgerichteten Flächenbereichen auf, auf denen die einzelnen Einlassöffnungen 13a–c vorgesehen sind, die somit jeweils in unterschiedliche Richtungen zeigen.
Die erfindungsgemäße Kühlanordnung 14 ist in größeren Einzelheiten aus 2 ersichtlich, die den Wechselrichter 1 in einer vereinfachten Darstellung bei abgenommener Vorderwand 7 des Gehäuses 2 zeigt. Ferner sind auch einige Komponenten des Wechselrichters 1, die sich unmittelbar hinter der Vorderwand 7 befinden, entfernt. Diese Komponenten, wie beispielsweise Stromversorgungskomponenten, zusätzliche Wärmetauscher oder dergleichen, sind an sich für die vorliegende Erfindung ohne größere Bedeutung, werden aber auch durch die erfindungsgemäße Kühlanordnung 14 gekühlt.
Die Kühlanordnung 14 ist, wie veranschaulicht, in dem mittleren Bereich zwischen den beiden Schaltschrankteilen, die sich unmittelbar an die Vorderseite 7 bzw. die Rückseite 8, anschließen, angeordnet und zur Luftführung in Querrichtung durch den Innenraum 3 von der Seite 9 zu der Seite 11 eingerichtet. Hierzu weist die Kühlanordnung 14 hier drei Einlasskanäle 16a, 16b, 16c, eine Druckkammer 17 und drei Auslasskanäle 18a, 18b, 18c auf. Die Anzahl der Einlass- und Auslasskanäle ist hier lediglich beispielhaft. Zur Ermöglichung eines redundanten Betriebs sind aber wenigstens zwei Einlasskanäle erforderlich und ein einziger Auslasskanal ausreichend.
Jeder Einlasskanal erstreckt sich ausgehend von der jeweiligen Einlassöffnung 13a–c (von denen in 2 lediglich die Einlassöffnung 13c dargestellt ist) in horizontaler Richtung bis zu der Druckkammer 17, die im Wesentlichen in dem zentralen Bereich zwischen den Seiten 9 und 11 angeordnet ist. Genauer gesagt, erstreckt sich jeder Einlasskanal 16a–c bis zu einer Kühlkörperanordnung 19 die am Ausgang der Einlasskanäle 13a–c, am Übergang zu der Druckkammer 17 angeordnet ist. Die Einlasskanäle 16a–c sind in der vertikalen Anordnung nach 2 unmittelbar übereinander, einer neben dem anderen angeordnet und durch Trennwände 21a, 21b lufttechnisch gegeneinander isoliert, so dass sich die Luftströme in den Einlasskanälen nicht miteinander vermischen können, bevor sie in die Druckkammer gelangen. Die Trennwände 21a, 21b erstrecken sich von der Abdeckung 12 bis zu der Kühlkörperanordnung 19.
Wie ferner aus 2 hervorgeht, ist in jedem Einlasskanal 16a, 16b, 16c ein Lüfter 22a, 22b bzw. 22c angeordnet. Die Lüfter 22a–c sind hier als Axiallüfter ausgestaltet, die an einer gemeinsamen Montageplatte 23 (3a) übereinander derart montiert sind, dass sie sich im Wesentlichen in der Mitte eines jeden Einlasses 16a–c befinden und ihre Drehachsen in Längsrichtung der Einlasskanäle 16a–c orientiert sind. Die Montageplatte 23 ist quer zu der Längsrichtung der Einlasskanäle 16a–c ausgerichtet und verschließt diese, so dass die gesamte Einlassluft durch die Lüfter 22a–c strömt. Es werden elektrisch angetriebene, in der Drehzahl oder Leistung steuerbare Lüfter, vorzugsweise mit elektronischer Kommutierung, wie sie in der Technik weit verbreitet sind, bevorzugt.
Die Kühlkörperanordnung 19 ist hier als ein länglicher Block dargestellt, der sich im Wesentlichen quer zu den Einlasskanälen 16a–c erstreckt. Der Block 19 ist hier aus zwei miteinander verbundenen Teilen zusammengesetzt, wobei jedoch auch ein einstückiger oder mehrstückiger Kühlkörper mit beispielsweise drei gesonderten Teilen vorgesehen sein könnte. Zur Erleichterung der Bezugnahme wird ein einem jeden Einlasskanal 16a, 16b bzw. 16c zugeordnetes Kühlkörpersegment mit 19a, 19b bzw. 19c bezeichnet (vgl. 3a) und einfach Kühlkörper genannt.
Die Kühlkörper haben die Aufgabe, Verlustwärme durch Wärmeleitung von Wärme erzeugenden Bauteilen wegzuleiten und diese dann durch Wärmestrahlung und Konvektion an die Umgebung abzugeben. Es sind hierzu vielfältige geeignete Kühlkörper aus der Technik allgemein bekannt. Im vorliegenden Fall ist der Kühlkörper 19 durch einen gerippten Block, beispielsweise aus Aluminium oder einem anderen gut wärmeleitfähigen Metall, gebildet, der eine ebene Oberfläche 24 und eine Reihe von zueinander parallelen Rippen 26 aufweist. Die ebene Oberfläche 24 ist zur Montage von Bauelementen geeignet und bestimmt. Die Rippen 26, die der Erhöhung der Oberfläche dienen, ragen von der der Oberfläche 24 abgewandten Seite des Grundkörpers 19 vor. Der relativ geringe Abstand zwischen den Rippen 26 definiert einen Grundkörperkanal 27, der in Längsrichtung der Rippen 26 verläuft. Die den einzelnen Kühlkörpersegmenten 19a, 19b, 19c zugeordneten Kühlkörperkanäle 27a, 27b bzw. 27c verbinden den jeweiligen Einlasskanal 16a, 16b bzw. 16c mit der Druckkammer 17.
Auf der gegenüberliegenden Seite der Druckkammer 17 in Bezug auf die Kühlkörperanordnung 19 ist eine Anordnung von Auslasskühlkörpern 28a, 28b, 28c vorgesehen, die im Wesentlichen die Auslasskanäle 18a, 18b, 18c bilden, die die Druckkammer 17 mit einem gemeinsamen Auslass 29 verbinden. Der Auslass 29 ist als eine längliche geschlitzte Auslassöffnung an der schmalen Seite 11 vorgesehen. Die Auslasskühlkörper 28a–c sind den Einlasskühlkörpern 19a–c im Wesentlichen ähnlich, beispielsweise ebenfalls als gerippte Profilblöcke, ausgebildet, wobei sie jedoch für höhere Leistungen ausgelegt sind. Beispielsweise weisen sie einen geringeren Rippenabstand im Vergleich zu der Einlasskühlkörpern 19a–c und somit einen erhöhten Strömungswiderstand bzw. Druckverlust im Betrieb auf.
Die Druckkammer 17 ist allen Einlass- und Auslasskanälen 16, 18 gemeinsam und hier zentral in einem allgemein mit 31 bezeichneten Volumenkörper 31 angeordnet, der abgesehen von den Einlass- und Auslasskanälen 16, 18 nach außen im Wesentlichen abgeschlossen ist. Der Volumenkörper 31 ist hier im Wesentlichen durch einzelne Abschnitte des Gehäuses 2, eine Zwischenwand 32, die Trennwände 21a, 21b, entsprechende, hier nicht näher bezeichnete Trennwände an der Auslassseite und weitere Komponenten des Wechselrichters 1 gebildet und definiert die erfindungsgemäße Kühlanordnung 14.
Die Kühlanordnung 14 dient zum Kühlen wärme erzeugender Leistungselektronikbauteile des Wechselrichter 1. Bezug nehmend auf die 3a–3c ist ersichtlich, dass die Leistungselektronikbauteile 33, 34 des Wechselrichters, die hochfrequent geschaltete und somit warmlaufende Schalter aufweisen, auf der glatten Oberfläche 24 der Einlass- und Auslasskühlkörper 19, 28, beispielsweise mit einem wärmeleitendem Kleber angebracht sind. 3a–3c zeigen eine vereinfachte Draufsicht auf die erfindungsgemäße Kühlanordnung 14 als solche ohne die sonstigen Komponenten des Wechselrichters 1. Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Kühlanordnung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die 3a–3c erläutert, in denen unterschiedliche Modi dargestellt sind, die sich während des Betriebs einstellen können.
Im Normalbetrieb, wie er in 3a dargestellt ist, wird Luft von den Lüftern 22a–c durch die jeweiligen Einlassöffnungen 13a, 13b bzw. 13c in die einzelnen Einlasskanäle 16a, 16b und 16c angesaugt, durch diese hindurch zu den Kühlkörpersegmenten 19a, 19b, 19c befördert und durch die einzelnen Kühlkörperkanäle 27a, 27b, 27c in die gemeinsame Druckkammer 17 gedrückt. Die Luft strömt anschließend durch die Kanäle der Auslasskühlkörper 28a, 28b, 28c hindurch und tritt durch die Auslassöffnung 29 in die Umgebung hinaus. Beim Durchströmen der Kühlkörper 19a–c, 28a–c fördert die Luft die Ableitung von Wärme von den darauf montierten Bauteilen 33, 34. Die den einzelnen Kanälen zugeordneten Luftströme sind in 3a anhand von Pfeilen 36a, 36b, 36c bzw. 37a, 37b, 37c auf der Einlass- bzw. Auslassseite angezeigt.
Es wird nun angenommen, dass einer der Lüfter im Betrieb ausfällt. In 3b ist ein Betriebszustand dargestellt, der sich einstellt, wenn z. B. der in den Figuren untere Lüfter 22c ausfällt. In diesem Fall führen die anderen Lüfter 22a, 22b weiterhin Luft der gemeinsamen Druckkammer 17 zu, wobei nur ein Anteil dieser Luft dann durch die Auslasskanäle 18a–c austritt. Ein weiterer Anteil der Luft zweigt jedoch ab und strömt durch den Kühlkörperkanal 27c hindurch in den Einlasskanal 16c hinein und weiter durch diesen sowie durch den ausgefallenen Lüfter 22c hindurch, bevor er durch die Einlassöffnung 13c in die Umgebung austritt. Dieser Luftanteil strömt also im Vergleich zum Normalbetrieb in entgegengesetzter Richtung durch den Einlasskanal 13c, wie dies durch den Pfeil 36c veranschaulicht ist. Vorteilhafterweise können alle Kühlkörper, einschließlich des Kühlkörpersegmentes 19c zur Kühlung der Bauteile mit Luft durchströmt werden, selbst wenn der Lüfter 22c ausfällt.
Ähnliche Verhältnisse ergeben sich auch, wenn einer der andern Lüfter, entweder 22a oder 22b, ausfällt, wobei dann der Luftstrom in dem Kühlkörpersegment 19a bzw. 19b und dem zugehörigen Einlasskanal 16a bzw. 16b reversiert wird, d. h. seine Strömungsrichtung umkehrt.
Vorteilhafterweise wird die Strömungsrichtungsumkehr automatisch, allein durch die strömungstechnische Ausgestaltung und Auslegung des Volumenkörpers 31, einschließlich der Ein- und Auslasskanäle 16a–c, 18a–c, der Druckkammer 17, der Kühlkörper 19a–c, 28a–c, der Trennwände 21a, 21b und anderer den Volumenkörper 31 definierender Gehäuseteile erzielt. Insbesondere führt der erhöhte Strömungswiderstand der Auslasskühlkörper 28a–c im Vergleich zu den Einlasskühlkörpern 19a–c zu einem Überdruckaufbau in der Druckkammer 17, der dann die Luft in umgekehrter Richtung durch den dem ausgefallenen Lüfter, beispielsweise 22c, zugeordneten Einlasskanal, beispielsweise 16c, treibt. Die vorteilhafte Trennung der Einlasskanäle voneinander durch die Trennwände 21a, b verhindert, dass ein lufttechnischer Kurzschluss in dem Sinne entstehen kann, dass durch einen Einlasskanal beförderte Luft unmittelbar in den Einlasskanal eines ausgefallenen Lüfters übertritt, ohne die Kühlkörper 19a–c zu durchströmen. Vielmehr stellt die erfindungsgemäße Anordnung sicher, dass die Luft stets alle Kühlkörpersegmente 19a–c durchströmt.
In 3c ist ferner ein Zustand dargestellt, bei dem lediglich der obere Lüfter 22a noch funktionsfähig ist, während die anderen Lüfter 22b und 22c ausgefallen sind. In diesem Fall sorgt der funktionsfähige Lüfter 22a alleine für die Luftversorgung, wobei der durch den Einlasskanal 13a in die Druckkammer 17 einströmende Luftstrom sich dann auf die Auslasskanäle 18a–c und die Einlasskanäle 16b, 16c der ausgefallenen Lüfter 22b, 22c aufteilt, wobei die Letzteren im Vergleich zum Normalbetrieb in umgekehrter Richtung durchströmt werden. Dieser Zustand mit umkehrter Strömungsrichtung durch einen Einlasskanal soll hier aus als Reversionsbetrieb bezeichnet werden.
Vorteilhafterweise sind, wie aus 1 ersichtlich, die Einlassöffnungen 13a–c in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet, so dass im Reversionsbetrieb aus wenigstens einer dieser Öffnungen austretende warme Luft nicht unmittelbar durch eine andere Einlassöffnung wieder angesaugt wird.
Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Modifikationen möglich. Beispielsweise können unterschiedliche Bauarten von Kühlkörpern mit unterschiedlicher Ausgestaltung der Kühlkörperkanäle und aus unterschiedlichen Materialen verwendet werden. Die Form des Volumenkörpers 31 und der Druckkammer 17 können je nach Anforderung variiert werden. Obwohl die Kühlanordnung 14 gemäß den 1 bis 3 in Bezug auf eine horizontale Kühlung der Bauteile veranschaulicht ist, kann die Kühlanordnung auch zur vertikalen Kühlung oder zur Kühlung in jeder beliebigen Richtung angepasst werden. Gegebenenfalls können zusätzlich Leit- und Umlenkelemente vorgesehen werden.
Weitere Modifikationen der Erfindung sind in den 4 bis 6 dargestellt. Soweit Übereinstimmung in Bau und/oder Funktion besteht, wird unter Verwendung gleicher Bezugszeichen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen. Dabei können einzelne Details zum Teil auch weggelassen sein.
In den 4a und 4b ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die eine minimale Konfiguration mit lediglich zwei Einlasskanälen 16a, 16b aufweist. Wenngleich zwei Auslasskanäle 18a, 18b dargestellt sind, würde prinzipiell auch ein einzelner Auslasskanal genügen. Wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird im Normalbetrieb Luft von den Lüftern 22a, 22b durch die Einlassöffnungen 13a, 13b angesaugt, durch die Einlasskanäle 16a, 16b und die Kühlkörperkanäle 27a, 27b in die Druckkammer 17 befördert, und sie strömt anschließend durch die Auslasskühlkörper 28a, 28b und die Auslassöffnung 29 nach außen. Beim Ausfall eines der Lüfter, z. B. des Lüfters 22b, wird ein Anteil der Luft in der Druckkammer abgezweigt und in umgekehrter Richtung durch den Einlasskanal 16b befördert, bevor er durch die Einlassöffnung 13b in die Umgebung austritt. Vorteilhafterweise sind hier die Einlassöffnungen 13a, 13b auf unterschiedlichen Seiten des Volumenkörpers 31 angeordnet, so dass eine störende Wechselwirkung im Sinne eines Wiederansaugens bereits erwärmter Luft weitgehend vermieden werden kann.
5a und 5b zeigen eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlanordnung 14 mit einer modifizierten Ausgestaltung des Volumenkörpers 31, der hier eine sternartige Konfiguration aufweist. Es sind zwei Einlasskanäle 16a, 16b und ein Auslasskanal 18 vorgesehen, die von unterschiedlichen Seiten in eine Druckkammer 17 einmünden. Die Druckkammer 17 weist hier in dem Querschnitt gemäß den 5a und 5b eine an ein gleichschenkliges Dreieck angenäherte Gestalt auf, wobei jede Seite des Dreiecks einem der Einlass- bzw. Auslasskanäle 16a, 16b, 18 zugeordnet ist. Die Einlasskanäle 13a, 13b sind wiederum durch die Kanalwände, die die Trenneinrichtung 21 bilden, voneinander getrennt, so dass kein lufttechnischer Kurzschluss entstehen kann. Im Übrigen funktioniert diese Ausführungsform wie die vorstehenden Ausführungsformen, wobei durch die spezielle gegenüberliegende Anordnung der Kanäle 16a, 16b den Reversionsbetrieb zusätzlich unterstützt.
6a und 6b zeigen eine Modifikation der Ausführungsform gemäß den 4a und 4b, bei der die Kühlkörper 28a, 28b am Auslass der Kühlanordnung 14 entfernt sind. Stattdessen ist hier in der Druckkammer 17 eine Anordnung aus Umlenkwänden 38a, 38b und 38c vorgesehen, die die Luft in der Druckkammer 17 umströmen muss, um zu dem Auslass 29 zu gelangen. Die Umlenkwände 38a–c bewirken im Fall eines Ausfalls eines der Lüfter, z. B. des Lüfters 22b, dass der sich auf der den Einlasskanälen 16a, 16b zugewandeten Seite der Umlenkwände 38a–c aufbauende Staudruck einen Anteil der Luft in umgekehrter Richtung durch den Einlasskanal 16b treibt. Die Umlenkwände 38a–c oder sonstige Umlenkeinrichtungen können auch gemeinsam mit einem oder mehreren Auslasskühlkörpern 28 eingesetzt werden.
Indem erneut auf 2 Bezug genommen wird, ist dort ferner eine Steuereinrichtung 39 zur Steuerung des Lüfterbetriebs veranschaulicht. Diese ist vorzugsweise vorgesehen, wenn sich die Lüfter hinsichtlich ihrer Drehzahl bzw. Leistung steuern bzw. regeln lassen. Die Steuereinrichtung 39 erfasst vorzugsweise mittels einer hier nicht näher dargestellten Sensoreinrichtung die Temperatur innerhalb des Volumenkörpers 31 und stellt beispielsweise die Drehzahl entsprechend der benötigten Kühlleistung ein. Die Steuereinrichtung 39 ist vorzugsweise in der Lage, über hier nicht näher dargestellte Schaltelemente einzelne Lüfter 22a–c abzuschalten. Somit kann eine fehlerhafter, zu langsam laufender Lüfter gezielt abgeschaltet und durch den sich anschließend einstellenden Reversionsbetrieb eine bessere Kühlung der Bauteile erzielt werden.
Die Steuereinrichtung 39 kann ferner eine Steuerlogik aufweisen, die im Normalbetrieb die Lüfter mit reduzierter Leistung bzw. Drehzahl arbeiten lässt, wodurch diese auch geschont werden. Beim Ausfall eines oder mehrerer der Lüfter veranlasst die Logik dann, dass die restlichen funktionsfähigen Lüfter mit höherer Leistung bis zur maximalen Leistung betrieben werden, um weiterhin eine ausreichende Kühlung des Gesamtsystems sicherzustellen.
Außerdem kann die Steuereinrichtung eine Steuerlogik aufweisen, die gezielt periodisch einen der Lüfter abschaltet, um einen Reversionsbetrieb zu bewirken, um Verschmutzungen, die sich an den Einlassöffnungen 13a–c festsetzen können, wegzublasen. Dies ist z. B. bei Wechselrichtern für Photovoltaikanlagen, die im Außenbereich eingesetzt werden, von Vorteil.
In 7 ist ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Kühlen Wärme erzeugender Bauteile, insbesondere Leistungselektronikbauteile, dargestellt. In Schritt 41 wird ein Volumenkörper mit einem Gehäuse bereitgestellt, das eine Druckkammer, eine Anzahl von Einlasskanälen, die jeweils von einer Einlassöffnung zu der Druckkammer führen, und eine Anzahl von Auslasskanälen definiert, die jeweils von der Druckkammer zu einer Auslassöffnung führen. Der Volumenkörper und dessen Komponenten können eine beliebige Ausgestaltung, insbesondere eine der vorteilhaften Ausgestaltungen gemäß den 1 bis 6, haben.
In Schritt 42 wird in jedem der gegeneinander strömungsmäßig isolierten Einlasskanäle ein elektrisch antreibbarer Lüfter angeordnet. Außerdem wird jedem Einlasskanal ein Kühlkörper zugeordnet, der zu kühlende Bauteile trägt und vorzugsweise angrenzend an den Einlasskanal am Eintritt zu der Druckkammer angeordnet wird. Vorzugsweise sind die Lüfter, wie oben dargestellt, Axiallüfter und die Kühlkörper Hochleistungskühler mit einem äußerst geringen Rippenabstand und damit einer großen Oberfläche pro Volumen.
In Schritt 43 wird der normale Betriebsmodus ausgeführt, bei dem die Lüfter betrieben werden, um Luft durch die Einlassöffnungen anzusaugen und durch die wenigstens zwei Einlasskanäle und Einlasskühlkörperkanäle hindurch in die Druckkammer zu drücken, wobei die Luft dann durch den wenigstens einen Auslasskanal nach außen austritt. Dabei werden die an den Kühlkörpern montierten Bauteile effizient gekühlt.
In 44 wird unterschieden, ob ein Lüfterausfall eintritt oder nicht. Falls kein Lüfterausfall eintritt, geht das Verfahren zum Schritt 43 zurück und fährt mit dem normalen Betriebsmodus fort. Falls ein Lüfterausfall eintritt, geht das Verfahren in den Reversionsbetriebsmodus gemäß Schritt 46 über. Prinzipiell könnte ein Lüfterausfall auch positiv überwacht werden, indem beispielsweise die Drehzahl der Lüfter erfasst wird, um dies z. B. an eine zuständige Person oder Stelle zu melden. Für den Effekt der Erfindung ist dies jedoch nicht erforderlich, weil sich der Reversionsbetrieb von sich aus, automatisch einstellt.
In dem Reversionsbetrieb gemäß Schritt 46 wird ein Anteil der in die Druckkammer einströmenden Luft durch den Kühlkörperkanal und in den Einlasskanal hinein gedrückt, die dem ausgefallenen Lüfter zugeordnet sind. Die Luft strömt dann in im Vergleich zum Normalbetrieb umgekehrter Richtung durch den Einlasskanal hindurch und tritt durch die zugehörige Einlassöffnung nach außen aus. Vorteilhafterweise werden auch Bauteile an dem dem ausgefallenen Lüfter zugeordneten Kühlkörper gekühlt. Im Übrigen entspricht das Verfahren der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Kühlanordnung, so dass ergänzend auf die vorstehend im Zusammenhang mit den 1 bis 6 gemachten Ausführungen verwiesen wird, die hier entsprechend auch für das erfindungsgemäße Verfahren gelten.
Es sind eine lüfterredundante Anordnung und ein lüfterredundantes Verfahren zum Kühlen von Leistungselektronikbauteilen geschaffen. Die Kühlanordnung 14 weist einen Volumenkörper 31 auf, der eine Druckkammer 17, wenigstens zwei Einlasskanäle 16a–c, die jeweils von einer Einlassöffnung 13a–c zu der Druckkammer 17 führen, und wenigstens einen Auslasskanal 18a–c auf, der von der Druckkammer zu einer Auslassöffnung 29 führt. Jedem der Einlasskanäle 16a–c ist ein Lüfter 22a-c, der eingerichtet ist, um Luft durch den Einlasskanal anzusaugen und zu der Druckkammer zu treiben, und ein Kühlkörper 19a–c zugeordnet, der ein Leistungselektronikbauteil trägt und einen oberflächenreichen Kühlkörperkanal 27a–c für durchströmende Luft bildet, der den Einlasskanal mit der Druckkammer strömungsmäßig verbindet. Im Normalbetrieb kühlt Luft, die die Kühlkörper 19a–c durchströmt, die darauf montierten Bauteile und wird anschließend aus der gemeinsamen Druckkammer 17 über den wenigstens einen Auslasskanal 18a–c nach außen ausgegeben.
Erfindungsgemäß sind ferner Mittel 21a, 21b; 28a–c vorgesehen, die eingerichtet sind, um beim Ausfall wenigstens eines der Lüfter 22a–c im Betrieb eine Umkehrung der Luftströmung durch den dem ausgefallenen Lüfter zugeordneten Einlasskanal 16a–c zu bewirken, so dass die Luft in umgehrter Richtung durch diesen Einlasskanal strömt und durch die zugehörige Einlassöffnung 13a–c nach außen austritt. Dadurch werden auch bei einem Lüfterausfall Bauteile, die an dem zugehörigen Kühlkörper montiert sind, durch die in umgekehrter Richtung durchströmende Luft gekühlt.

Claims

Kühlanordnung (14) zum Kühlen Wärme erzeugender Bauteile, insbesondere Leistungselektronikbauteile, mit einem Volumenkörper (31), der ein Gehäuse (2) aufweist und eine Druckkammer (17) begrenzt; mit wenigstens zwei Einlasskanälen (16a, 16b, 16c), die jeweils von einer Einlassöffnung (13a, 13b, 13c), die an dem Gehäuse (2) ausgebildet sind, zu der Druckkammer (17) führen; mit einem jedem dieser Einlasskanäle (16a, 16b, 16c) zugeordneten Lüfter (22a, 22b, 22c), der eingerichtet ist, um Luft durch die jeweilige eine Einlassöffnung (13a, 13b, 13c) anzusaugen und durch den jeweiligen Einlasskanal (16a, 16b, 16c) hindurch in die Druckkammer (17) zu treiben; mit einem jedem dieser Einlasskanäle (16a, 16b, 16c) zugeordneten Kühlkörper (19a, 19b, 19c) zur Montage der zu kühlenden Wärme erzeugenden Bauteile, der einen Kühlkörperkanal (27a, 27b, 27c) für eine durchströmende Luft bildet, der den jeweiligen Einlasskanal (16a, 16b, 16c) mit der Druckkammer (17) strömungsmäßig verbindet; mit wenigstens einem Auslasskanal (18a, 18b, 18c), der von der Druckkammer (17) zu einer Auslassöffnung (29) führt, um im Betrieb von den Lüftern (22a, 22b, 22c) durch die Einlasskanäle (16a, 16b, 16c) und die Kühlkörperkanäle (27a, 27b, 27c) in die Druckkammer (17) getriebene Luft durch die Auslassöffnung (29) austreten zu lassen; und mit Mitteln (21a, 21b; 28a, 28b, 28c; 21a, 21b; 38a, 38b, 38c), die eingerichtet sind, um im Betrieb beim Ausfall wenigstens eines der Lüfter (22a, 22b, 22c), sofern wenigstens ein Lüfter noch arbeitet, aufgrund eines Überdruckaufbaus in der Druckkammer (17) ohne Betätigung irgendwelcher Klappen oder Verschlussmechanismen eine Umkehrung der Luftströmungsrichtung durch den dem ausgefallenen Lüfter zugeordneten Einlasskanal (16a, 16b, 16c) zu bewirken, so dass Luft in umgekehrter Richtung von der Druckkammer (17), durch den diesem Einlasskanal zugehörigen Kühlkörperkanal und diesen Einlasskanal strömt und durch die zugehörige Einlassöffnung austritt.
Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedlichen Einlasskanälen zugeordnete Einlassöffnungen (13a, 13b, 13c) in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sind.
Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei Einlasskanäle (16a, 16b, 16c) vorgesehen sind, die jeweils einen Lüfter und einen Kühlkörper aufweisen.
Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lüfter (22a, 22b, 22c) Axiallüfter sind, die in dem jeweiligen Einlasskanal (16a, 16b, 16c) derart angeordnet sind, dass ihre Drehachse im Wesentlichen in Längsrichtung des jeweiligen Einlasskanals verläuft.
Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lüfter (22a, 22b, 22c) elektrisch angetrieben und vorzugsweise in Bezug auf ihre Drehzahl oder Leistung steuerbar sind.
Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkörper (19a, 19b, 19c) Profilkörper sind, die jeweils wenigstens eine ebene Oberfläche (24) zur Montage von Bauteilen und eine Oberfläche mit Kühlrippen (26) aufweisen, die den Kühlkörperkanal (27a, 27b, 27c) wenigstens teilweise begrenzt.
Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Kühlkörper (19a, 19b, 19c) am Übergang von einem Einlasskanal (16a, 16b, 16c) zu der Druckkammer (17) angeordnet ist.
Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Strömungsrichtungsumkehr durch eine einen Überdruckaufbau der Druckkammer (17) fördernde Gestaltung und Auslegung des Volumenkörpers (31), der Einlass- und Auslasskanäle (13, 16), der Druckkammer (17) und/oder der Lüfter (22a, 22b, 22c) gebildet sind.
Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Strömungsrichtungsumkehr wenigstens einen einem jeweiligen Auslasskanal (18a, 18b, 18c) zugeordneten Auslasskühlkörper (28a, 28b, 28c) aufweisen, der vorzugsweise zwischen der Druckkammer (17) und dem Auslasskanal angeordnet ist.
Kühlanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Auslasskühlkörper (28a, 28b, 28c) einen größeren Strömungswiderstand aufweist als die den Einlasskanälen (16a, 16b, 16c) zugeordneten Kühlkörper (19a, 19b, 19c).
Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trenneinrichtung (21a, 21b) vorgesehen ist, die die Einlasskanäle (16a, 16b, 16c) voneinander trennt.
Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Druckkammer (17) eine Umlenkeinrichtung (38a, 38b, 38c) angeordnet ist, um in die Druckkammer strömende Luft umzulenken.
Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (39) zur Steuerung der Lüfter (22a, 22b, 22c) vorgesehen ist, wobei die Steuereinrichtung in der Lage ist, beim Defekt eines der Lüfter (22a, 22b, 22c) diesen elektrisch abzuschalten.
Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (39) zur Steuerung der Lüfter (22a, 22b, 22c) vorgesehen ist, wobei die Steuereinrichtung im Normalbetrieb die Lüfter mit einer reduzierten Drehzahl bzw. Leistung ansteuert und bei Ausfall wenigstens eines der Lüfter wenigstens einen intakten Lüfter mit erhöhter Drehzahl bzw. Leistung ansteuert.
Wechselrichter (1) mit einer Wechselrichteranordnung (33, 34) zur Umwandlung von Gleichspannung, insbesondere Solargeneratorspannung, in Wechselspannung, insbesondere Netzspannung eines Versorgungsnetzes, mit einer Kühlanordnung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlanordnung und die Wechselrichteranordnung in einem gemeinsamen Gehäuse (2) untergebracht sind und wobei die Kühlanordnung (14) zur Führung der Luft quer durch den Innenraum des Gehäuses (2) von einer Seite (9) zur anderen (11) eingerichtet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, insbesondere für Leistungselektronikbauteile, das aufweist: Bereitstellen (41) eines Volumenkörpers mit einem Gehäuse, das eine Druckkammer, wenigstens zwei Einlasskanäle, die jeweils von einer Einlassöffnung an dem Gehäuse zu der Druckkammer führen, und wenigstens einen Auslasskanal definiert, der von der Druckkammer zu einer Auslassöffnung führt; Anordnen (42) eines elektrisch antreibbaren Lüfters in jedem dieser Einlasskanäle und eines Kühlkörpers, der zu kühlende Wärme erzeugende Bauteile trägt, zwischen dem Einlasskanal und der Druckkammer; Betreiben (43) der Lüfter, um Luft durch die Einlassöffnungen anzusaugen und durch die wenigstens zwei Einlasskanäle sowie Kühlkörper hindurch in die Druckkammer zu drücken und die Luft durch den Auslasskanal austreten zu lassen; und falls ein Lüfterausfall eintritt, sofern wenigstens ein anderer Lüfter noch arbeitet, Aufbau eines Überdrucks in der Druckkammer ohne Betätigung irgendwelcher Klappen oder Verschlussmechanismen zum Ableiten (46) eines Anteils der in die Druckkammer einströmenden Luft durch den Kühlkörper hindurch und in den Einlasskanal hinein, die dem ausgefallenen Lüfter zugeordnet sind, um die Luft in umgekehrter Richtung durch den diesem Einlasskanal zugehörigen Kühlkörperkanal und diesen Einlasskanal strömen und über die zugehörige Einlassöffnung austreten zu lassen.