DE102013010087A1

DE102013010087A1 - Kühlvorrichtung für ein Stromumrichtermodul

Info

Publication number: DE102013010087A1
Application number: DE102013010087.9A
Authority: DE
Inventors: Christoph Meyer
Original assignee: Vensys Elektrotechnik GmbH
Current assignee: Vensys Elektrotechnik GmbH
Priority date: 2013-06-18
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2014-12-18
Also published as: CN105474385A; US20160181177A1; WO2014202217A2; WO2014202217A3; EP3036765A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für ein Stromumrichtermodul. Um die Temperaturdifferenz am Wärmetauscher in einer Kühlvorrichtung für ein Stromumrichtermodul möglichst gering zu halten, ist die Kühlvorrichtung versehen mit mit einem flüssiges Kühlmittel führenden Kühlflüssigkeitskanal, der zu einem Kühlkreislauf verschaltet ist, mit einem Wärmetauscher, der in dem Kühlkreislauf verschaltet ist und an dem wärmeleitend ein Leistungsbauelement gekoppelt ist, und mit einem Kühler zum Kühlen des flüssigen Kühlmittels, der in dem Kühlkreislauf verschaltet ist, wobei in dem Wärmetauscher mehrere Rohrleitungen derart parallel geschaltet sind ist, dass die Temperaturdifferenz am Wärmetauscher ein vorgegebenes Maß nicht überschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für ein Stromumrichtermodul.
Bei Anlagen zur Gewinnung elektrischer Energie, etwa bei Windenergieanlagen oder Solaranlagen, werden Stromumrichtermodule eingesetzt, die die erzeugte Gleichspannung bzw. Wechselspannung in eine Spannung mit der vom Netzeinspeisepunkt geforderten Frequenz wandeln. Solche Umrichter können je nach Anwendungsfall eine Leistungsübertragung von einigen kW bis zu einigen MW aufweisen. Im Inneren des Stromumrichtermoduls befinden sich schnell schaltende Leistungshalbleiter, beispielsweise Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (englisch insulated-gate bipolar transistor, kurz IGBT). Die aufgrund von Umwandlungsverlusten entstehende Wärme wird an einen oder mehrere Kühlkörper abgegeben. Diese Wärme muss durch eine entsprechende Kühlvorrichtung abgeführt werden, damit der Leistungshalbleiter nicht aufgrund von Überhitzung zerstört wird.
Vorzugsweise wird die an den Kühlkörper abgegebene Wärme direkt an einen Wärmetauscher weitergeleitet, der von einer Kühlflüssigkeit durchströmt wird. Als Kühlflüssigkeit wird aus Korrosions- oder Frostschutzgründen beispielsweise ein Wasser-Ethanol-Gemisch oder ein Wasser-Glykol-Gemisch verwendet.
Die Kühlflüssigkeit wird in einem Kühlkreislauf wiederum einem Luftkühler zugeführt und dort entsprechend abgekühlt, bevor diese wiederum über eine Pumpe zu dem Wärmetauscher des Leistungshalbleiters zurückgeführt wird.
Ein Problem bei einem derartigen Kühlkreislauf kann ein Zustand sein, bei dem die Temperaturdifferenz an dem Wärmetauscher zwischen der Vorlauftemperatur und der Rücklauftemperatur zu stark ansteigt. Hierdurch resultiert starkes Temperaturgefälle am Wärmetauscher, das zu einer Beschädigung oder gar auch zu einer Zerstörung von elektronischen Bauteilen führen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Temperaturdifferenz am Wärmetauscher in einer Kühlvorrichtung für ein Stromumrichtermodul möglichst gering zu halten.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind durch die Unteransprüche 2–8 angegbeben.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren erläutert. Es zeigt
1 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, und
2 ein Prinzipschaltbild des erfindungsgmäßen Wärmetauschers.
1 zeigt ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung.
Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung besteht insgesamt aus einem mit einem flüssigen Kühlmittel betriebenen Kühlkreislauf. Als Kühlmittel wird ein Wasser-Ethanol-Gemisch verwendet. Zusätzlich wird dem Kühlmittel ein Korrosionsinhibitor zugesetzt. Der Inhibitor hält den im Wasser befindlichen Kalk in Lösung und schützt die Stahl-, Aluminium- und Kupfermaterialen der Kühlvorrichtung durch eine Schutzfilmbildung (Sauerstoffdiffusion).
Als Beispiel wird angenommen, dass in dem Kühlkreislauf 3 IGBTs gekühlt werden sollen. Selbstverständlich ist die Erfindung aber auch auf die Kühlung von nur einem IGBT oder auf eine beliebige Vielzahl von IGBTs anwendbar.
Von den 3 IGBTs ist aus Vereinfachungsgründen nur ein IGBT mit dem Bezugszeichen 103 gekennzeichnet. Der IGBT 103 ist über den Kühlflüssigkeitskanal 104 im Vorlauf mit einem senkrecht montierten Verteilerrohr 101 verschaltet. In entsprechender Weise ist der IGBT 103 über den Kühlflüssigkeitskanal 105 im Rücklauf mit einem ebenfalls senkrecht montierten Verteilerrohr 102 verschaltet.
Im Verteilerrohr 202 wird das Kühlmittel für den Rücklauf gesammelt und über den Kühlflüssigkeitskanal 107 an einen Luftkühler 109 geleitet. Der Luftkühler 109 kühlt die Temperatur des Kühlmittels auf ein erforderliches Maß herab und führt das Kühlmittel erneut dem Kühlkreislauf in den Vorlauf zu.
In Strömungsrichtung des Kühlmittels gesehen hinter dem Luftkühler 109 befindet sich die Pumpe 108, die die Zirkulation des Kühlmittels innerhalb des Kühlkreislaufs unterstützt und aufrechterhält. Über den Kühlflüssigkeitskanal 106 gelangt das Kühlmittel schließlich wieder in den Vorlauf und damit in das Verteilerrohr 101, das die Kühlflüssigkeit zu den IGBTs 103 weiterleitet.
Oberhalb des Verteilerrohrs 101 bzw. 102 befindet sich ein Entlüftungsventil 110 bzw. 111. Das Entlüftungsventil 110 bzw. 111 wird mechanisch durch eine Membran gesteuert, die bei Austrocknung sich zusammenzieht und bei Berührung mit Wasser sich wieder ausdehnt.
Das Entlüftungsventil 110 bzw. 111 kann jeweils in beiden Verteilerrohren 101 und 102 installiert sein. Die Funktionsweise des Entlüftungsventils ist aber auch noch gewährleistet, wenn es entweder in dem Verteilerrohr 101 oder in dem Verteilerrohr 102 installiert ist. Die folgende Beschreibung bezieht sich nur auf das Entlüftungsventil 110.
Gelangt nun Luft in den Kühlkreislauf, so wird die Luft in Form von Luftbläschen solange durch den Kühlkreislauf transportiert, bis diese in das Verteilerrohr 101 gelangt. Erfindungsgemäß ist der Strömungsquerschnitt des Verteilerrohrs 101 größer als der Strömungsquerschnitt des Kühlflüssigkeitskanals 104. Dies bewirkt, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels im Verteilerrohr 101 kleiner ist als die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels im Kühlflüssigkeitskanal 104, sodass die Luftbläschen genügend Zeit haben, in dem Verteilerrohr 101 zum Entlüftungsventil 110 aufzusteigen.
Gleiches gilt auch für das Entlüftungsventil 111 im Verteilerrohr 102 mit dem angeflanschten Kühlflüssigkeitskanal 105.
Unterhalb des Verteilerrohrs 101 bzw. 102 befindet sich eine Heizung 112. Die Heizung 112 kann beispielsweise aus einer in das Verteilerrohr 110 führenden Heizspirale bestehen, die bei Bedarf entsprechend mit Strom beaufschlagt wird.
Die Heizung ist für den Fall vorgesehen, dass die Wärmetauscher ausnahmsweise einmal eine niedrigere Temperatur als die Umgebungsluft annehmen. Zur Detektierung dieses Ausnahmefalls sind außerdem entsprechende Temperatursensoren vorgesehen.
Der besagte Ausnahmefall tritt in der Regel dann ein, wenn das Stromumrichtermodul nicht in Betrieb ist (zum Beispiel wegen Wartungsarbeiten) und gleichzeitig die Umgebungsluft sich aufgrund von äußerer Sonneneinstrahlung erwärmt (zum Beispiel in den Morgenstunden). Für diesen Fall bildet sich Kondenswasser an dem Wärmetauscher 103 sowie auch an den Kühlkörpern der IGBTs und an den IGBTs selber, was zu Korrosion oder aber auch zu der Zerstörung von elektrischen Komponenten führen kann.
Wird somit der besagte Ausnahmefall durch eine Steuereinheit detektiert, dann schaltet die Steuereinheit die Heizung 112 ein. Dies bewirkt nunmehr, dass die Wärmetauscher 103 nicht gekühlt, sondern vielmehr leicht erwärmt werden, sodass eine Kondensatbildung verhindert werden kann. Zur Aufrechterhaltung des zirkulierenden Kühlmittels (bzw. jetzt Wärmemittels) ist die Pumpe 108 insbesondere dann nicht erforderlich, wenn die Heizung sich mit Bezug auf den Kühlkreislauf (bzw. jetzt Wärmekreislaufs) in einer Steigleitung befindet.
2 zeigt ein Prinzipschaltbild des erfindungsgmäßen Wärmetauschers.
Die Komponenten 203, 204 und 205 entsprechen den Komponenten 103, 104 und 105 aus 1.
An der Rückseite des Wärmetauschers 203 ist der Kühlkörper eines IGBTs angeflanscht.
Innerhalb des Wärmetauschers 203 sind zwei Verteiler 201 und 202 vorgesehen, zwischen denen parallele Rohrleitungen 206 verschaltet sind. Die parallelen Rohrleitungen 206 erweitern durch ihre Parallelschaltung den effektiven Strömungsquerschnitt des Wärmetauschers 203 und verhindern gleichzeitig das Ausbilden von turbulenten Strömungen. Hierdurch ist erfindungsgemäß sichergestellt, dass der Wärmetauscher 103 mit Bezug auf den gesamten Kühlkreislauf keinen zu großen Strömungswiderstand darstellt, sodass die Temperaturdifferenz am Wärmetauscher 103 zwischen dem Vorlauf 104 und dem Rücklauf 105 auf einem niedrigen Maß gehalten werden kann.
Vorzugsweise liegt die Temperaturdifferenz stets unterhalb von 10 Kelvin, besonders vorzugsweise unterhalb von 5 Kelvin. Durch die niedrige Temperaturdifferenz ist wiederum gewährleistet, dass der betreffende IGBT gleichmäßig gekühlt wird, was die Betriebsdauer erhöht und die Ausfallwahrscheinlichkeit verringert.

Claims

Kühlvorrichtung für ein Stromumrichtermodul, mit einem flüssiges Kühlmittel führenden Kühlflüssigkeitskanal, der zu einem Kühlkreislauf verschaltet ist, mit einem Wärmetauscher, der in dem Kühlkreislauf verschaltet ist und an dem wärmeleitend ein Leistungsbauelement gekoppelt ist, und mit einem Kühler zum Kühlen des flüssigen Kühlmittels, der in dem Kühlkreislauf verschaltet ist, wobei in dem Wärmetauscher mehrere Rohrleitungen derart parallel geschaltet sind ist, dass die Temperaturdifferenz am Wärmetauscher ein vorgegebenes Maß nicht überschreitet.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Pumpe in den Kühlkreislauf zur Aufrechterhaltung der Zirkulation des Kühlmittels geschaltet ist
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–2, wobei das Leistungsbauelement ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (englisch insulated-gate bipolar transistor, kurz IGBT) ist.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–3, wobei das Stromumrichtermodul in einer Windenergieanlage oder Solaranlage zur Netzeinspeisung verschaltet ist und eine Vielzahl von Leistungsbauelementen aufweist, die jeweils mit einem Wärmetauscher und einem Kühlflüssigkeitskanal gekoppelt sind.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, wobei das Kühlmittel ein Wasser-Ethanol-Gemisch ist.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–5, wobei in Strömungsrichtung des flüssigen Kühlmittels gesehen hinter dem Kühler und vor dem Wärmetauscher in den Kühlkreislauf ein langgestrecktes Verteilerrohr geschaltet ist, dessen Strömungsquerschnitt größer ist als der Strömungsquerschnitt des Kühlflüssigkeitskanals und das zum Schwerkraftvektor im Wesentlichen parallel montiert ist.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–6, wobei wobei in dem Wärmetauscher gerade so viele Rohrleitungen parallel geschaltet sind, dass die Temperaturdifferenz am Wärmetauscher 5 Kelvin nicht überschreitet.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–7, wobei wobei in dem Wärmetauscher gerade so viele Rohrleitungen parallel geschaltet sind, dass der Druckverlust am Wärmetauscher nicht mehr als 10% des Arbeitsdrucks des Kühlkreislaufs beträgt.