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Die vorliegende Erfindung betrifft Kühlvorrichtungen mit Phasenwechselspeichern für Umrichter.
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Im Bereich der Umrichter sind herkömmliche Kühlsysteme bekannt, welche Kühlkörper unterschiedlichen Materials und unterschiedlicher Ausgestaltung der Kühlrippen umfasst sowie die Kombination mit Luft oder Flüssigkeitskühlungen.
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Beim Einsatz von Umrichtern im Lastwechselbetrieb treten unterschiedlich hohe Verlustleistungen auf. Ein herkömmliches Kühlsystem müsste daher auf die maximale Verlustleistung ausgelegt werden um zu gewährleisten, dass die bauteilkritische Maximaltemperatur Tmax nicht überschritten wird. Die Lebensdauer von Umrichtern ist sehr stark temperaturabhängig. Vom verwendeten Kühlsystem muss gewährleistet werden, dass im Betrieb keine der Komponenten ihre zulässige Höchsttemperatur überschreitet. Ein häufiges Beispiel für industrielle Anwendungen sind IGBT-Umrichter (Insulated Gate Bipolar Transistor), welche als elektronische Schalter beispielsweise in E- Cars, Lokomotiven, Windkraftanlagen, Kühlvorrichtungen und Klimaanlagen eingesetzt werden. In solchen Anwendungsfällen hängt auch die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Anwendung von der des Umrichters ab.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Kühlvorrichtung anzugeben, welche eine zuverlässige Abfederung der maximalen Verlustleistung gewährleistet.
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Die Aufgabe ist durch eine Anordnung gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Anordnung zur Abfuhr von Wärme bei Verlustleistungsspitzen weist einen Kühlkörper und einen Phasenwechselspeicher auf, wobei der Kühlkörper und der Phasenwechselspeicher über wenigstens ein Wärmerohr thermisch miteinander verbunden sind. Die zu kühlende Komponente, die thermisch an den Kühlkörper angekoppelt ist, umfasst dabei insbesondere zumindest ein Umrichtermodul. Dies hat den Vorteil, dass der Kühlkörper für die Kühlung im Grundlastbetrieb des Umrichters ausgelegt sein kann, während der Phasenwechselspeicher so ausgelegt ist, dass er die Maximaltemperatur bei Spitzenlast aufnimmt und abpuffert.
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Um die Temperatur eines Umrichtermoduls auf eine festgelegte Maximaltemperatur Tmax zu begrenzen, wird also ein Phasenwechselspeicher eingesetzt, dessen Material eine Umwandlungstemperatur von der festen in die flüssige Phase bei eben dieser festgelegten Maximaltemperatur Tmax besitzt. Wird dann im Betrieb bei maximaler Verlustleistung dieser Phasenwechselspeicher thermisch angekoppelt, nimmt er bei konstanter Temperatur die Verlustwärme auf. Somit werden Verlustleistungsspitzen abgefedert. Um diese kurzzeitige Spitzenlast abzufedern, muss der Phasenwechselspeicher über eine sehr gute thermische Ankopplung an die zu kühlende Komponente verfügen. Diese Ankopplung wird über ein Wärmerohr, insbesondere eine Heatpipe gewährleistet. Im anschließenden Normalbetrieb sinken die Temperaturen im Umrichtermodul und dem Kühlkörper wieder ab und der Phasenwechselspeicher wird durch Wärmeabgabe an die Umgebung wieder entladen. Der Phasenwechselspeicher wird also insbesondere nach der maximalen Verlustleistung und nach der Taktzeit ausgelegt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Anordnung einen Kühlkörper, der Kühlrippen aufweist. Vorteilhafterweise umfasst die Anordnung wenigstens ein Gebläse, welches so angeordnet ist, dass ein Kühlluftstrom parallel zur Längenausdehnung des Kühlkörpers erzeugbar ist, der vom Kondensatorteil des Wärmerohrs in Richtung Verdampferteil des Wärmerohrs strömt. Alternativ umfasst die Anordnung eine Pumpe und einen Flüssigkeitskanal, in dem sich die Kühlanordnung befindet, wobei Pumpe und Flüssigkeitskanal so angeordnet sind, dass ein Kühlflüssigkeitsstrom parallel zur Längenausdehnung des Kühlkörpers erzeugbar ist, der wiederum vom Kondensatorteil des Wärmerohrs in Richtung Verdampferteil des Wärmerohrs strömt. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Verdampferteil der Heatpipe im Kühlkörper integriert und der Kondensatorteil des Wärmerohrs im Phasenwechselspeicher integriert, wobei beispielsweise der Phasenwechselspeicher direkt an den Kühlkörper angrenzt, so dass das Wärmerohr durchgängig von entweder dem Kühlkörper oder dem Phasenwechselspeicher umgeben ist.
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Dies hat folgenden Vorteil: Im Grundlastbetrieb weisen die Kühlrippen am Ende des Kühlkörpers eine etwas höhere Temperatur auf, da sich die Kühlluft bzw. das Kühlmittel beim Durchströmen der Rippen erwärmt. D.h. im Grundlastbetrieb sieht der Kondensatorteil des Wärmerohrs eine etwas höhere Temperatur als der Verdampferteil, da er im Kühlmittelstrom weiter hinten angeordnet ist. Das Wärmerohr oder die mehreren Wärmerohre arbeiten im Grundlastbetrieb dann entweder gar nicht oder dienen lediglich zur Vergleichmäßigung der Temperatur innerhalb des Kühlkörpers unterhalb der zulässigen Temperatur. Die Verlustwärme wird im Grundlastbetrieb nahezu ausschließlich an den Wärmerohren vorbei durch Wärmeleitung im Kühlkörper geführt. Der Kühlkörper ist vorzugsweise ein Aluminiumkühlkörper, z.B. eine Aluminiumplatte. Steigt die Verlustleistung im Taktbetrieb an, so steigt auch zunächst die Temperatur im Kühlkörper. Wird im Kühlkörper die Temperatur höher als am oberen Ende der Kühlrippen, wobei mit oberem Ende das Ende der Kühlrippen gemeint ist, welches am weitesten vom Gebläse oder der Pumpe entfernt ist, d.h. welches im Kühlmittelstrom am wärmsten Ort angeordnet ist, dann erfolgt der Wärmetransport über das Wärmerohr. Im Wärmerohr geschieht der Wärmetransport durch Verdampfen eines Kältemittels im Verdampferteil, welcher im Kühlkörper integriert ist, und sich somit direkt an oder unterhalb der zu kühlenden Komponente befindet. Das Kältemittel im Wärmerohr kondensiert dann im Kondensatorteil, d.h. in dem Teil des Wärmerohrs, der sich innerhalb des Phasenwechselspeichers befindet. Die Kondensationswärme wird dabei an das Material des Phasenwechselspeichers abgegeben bis dessen Umwandlungstemperatur erreicht ist. Dann wird bei konstanter Temperatur der Speicher geladen. Als Kältemittel im Wärmerohr kann z.B. Wasser eingesetzt werden. Als Beispiel für ein Phasenwechselspeichermaterial kann Paraffin ausgewählt werden, welches eine Umwandlungstemperatur bei 80°C aufweist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist an den Phasenwechselspeicher ein weiterer Kühlrippenkörper thermisch angekoppelt. Dieser kann beispielsweise auch thermisch an die Kühlrippen des Kühlkörpers angekoppelt sein oder mit diesem einstückig ausgeführt sein. Dies hat den Vorteil, dass nach der Spitzenlast und Beladung des Phasenwechselspeichers dieser im Grundlastbetrieb seine Temperatur schnell an die Umgebung abführen kann.
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Ein vorteilhaftes Einsatzgebiet der beschriebenen Anordnung ist die Kühlung von Komponenten mit variierenden Verlustleistungen, wie beispielsweise Umrichtermodulen. Insbesondere hochpotente Umrichter, z. B. Überlastumrichter oder auch Frequenzumrichter, liegen mit ihren Verlustleistungen beispielsweise zwischen 1 kW und 10 kW, insbesondere zwischen 1 kW und 5 kW. Ein vorteilhaftes Beispiel für eine Anordnung mit einem Umrichtermodul umfasst wenigstens einen IGBT-Umrichter (Insulated Gate Biopolar Transistor). Dessen Verlustleistung liegt beispielsweise zwischen 1 kW und 10 kW, insbesondere zwischen 1 kW und 5 kW. Vorteilhafterweise sind immer jeweils zwei oder mehrere Umrichtermodule auf einem Kühlkörper entlang dem Kühlmittelstrom angeordnet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Phasenwechselspeicher eine Phasenwechseltemperatur zwischen 70°C und 130°C auf, insbesondere eine Phasenwechseltemperatur zwischen 75°C und 120°C. Bei bekannter Maximaltemperatur der zu kühlenden Komponente und bekannter Dauer des Spitzenlastbetriebs sowie der Dauer zwischen zwei Lastspitzen wird das Phasenwechselmaterial und die Größe des Phasenwechselspeichers entsprechend gewählt.
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Beispielsweise ist die beschriebene Anordnung in einem Schaltschrank angeordnet, in dem das Umrichtermodul montiert ist. Dieser Schaltschrank umfasst insbesondere wenigstens ein Fach von vertikaler Ausdehnung, in dem die Kühlanordnung so angebracht ist, dass sich der Verdampferteil der Heatpipe unterhalb des Kondensatorteils des Wärmerohrs befindet und in dem das Gebläse so unterhalb des Umrichtermoduls mit der Kühlanordnung angebracht ist, dass ein Kühlluftstrom senkrecht nach oben erzeugbar ist, so dass auch gleichzeitig der Kamineffekt unterstützend genutzt werden kann.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in exemplarischer Weise mit Bezug auf die 1 bis 7 der angehängten Zeichnung beschrieben:
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1 zeigt den schematischen Aufbau einer zu kühlenden Komponente auf einem Kühlkörper,
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2 zeigt den schematischen Aufbau eines Schaltschranks in dem je zwei zu kühlende Komponenten auf einem gemeinsamen Kühlkörper vertikal angebracht sind,
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3 zeigt ein Temperatur-Zeit-Diagramm einer herkömmlichen Kühlvorrichtung,
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4 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung mit Kühlkörper und Phasenwechselspeicher,
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5 zeigt einen Querschnitt senkrecht durch die Kühlanordnung,
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6 zeigt ein Diagramm, in dem die Verlustleistung in Prozent über der Zeit aufgetragen ist, und
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7 zeigt ein Temperatur-Zeit-Diagramm einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung mit Phasenwechselspeicher.
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Die 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Kühlanordnung, wie sie bisher verwendet wurde. Dabei ist eine zu kühlende Komponente 2 gezeigt, welche beispielsweise ein Umrichtermodul ist. Die Verlustleistung PV wird in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben. Zur effektiveren Kühlung wird das Umrichtermodul 2 auf einen Kühlkörper 1 aufgebracht. Dieser ist beispielsweise eine Aluminiumplatte mit Kühlrippen 11. Über diese vergrößerten Oberflächen des Kühlkörpers wird die Verlustleistung PV als Wärme an die Umgebung abgegeben.
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In der 2 sind wiederum herkömmliche Kühlvorrichtungen 1 gezeigt, die in einen Schaltschrank 20 eingeordnet sind. Dabei sind auf die senkrecht im Schaltschrank 20 angeordneten Aluminiumplatten 1, deren Kühlrippen 11 senkrecht von der Platte 1 wegweisen, jeweils zwei zu kühlende Komponenten 2 aufgebracht, welche beispielsweise IGBT-Umrichtermodule sind. Diese geben beispielsweise eine Verlustleistung von 2 kW ab. Da zwei IGBT-Umrichter 2 auf einen Kühlkörper 1 angeordnet sind, muss also eine Gesamtverlustleistung von 4 kW in Form von Wärme abgeführt werden. Der Schaltschrank 20 hat z. B. eine Höhe von ca. 1,6 m. Unterhalb des Kühlkörpers 1 ist ein Tangentialgebläse 12 angeordnet, welches einen Kühlluftstrom 120 von unten nach oben durch das Schaltschrankfach erzeugen kann. Die Richtung des erzeugbaren Kühlluftstroms ist durch Pfeile 120, 121 angezeigt. Im unteren Bereich des Schaltschranks 20 wird Luft mit Raumtemperatur angesogen, wobei die Raumtemperatur zwischen 20°C und 40°C betragen kann. Die Abluft 121 beträgt dann z.B. um die 50°C oder auch zwischen 50°C und 60°C. In einem Schaltschrank 20 können wie gezeigt mehrere Fächer vorhanden sein, in denen jeweils parallel zueinander die Umrichter 2 auf entsprechenden Aluplatten 1 angeordnet sind, insbesondere jeweils übereinander mindestens zwei Umrichter 2 auf einer Aluplatte 1.
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Die 3 zeigt ein Temperatur-Zeit-Diagramm zu den herkömmlichen Kühlaufbauten: Im Grundlastbetrieb G liegt die Temperatur der zu kühlenden Komponente Tk etwas über der Temperatur des Kühlmediums Tc. Sobald die zu kühlende Komponente 2 in Überlastbetrieb S geht, steigen die Temperatur der zu kühlenden Komponente Tk sowie die Temperatur des Kühlmediums Tc kontinuierlich an. Der Temperaturanstieg kann auch nach Beendigung des Spitzenlastbetriebs S noch weiter ansteigen.
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Am Punkt der Maximaltemperatur Tmax muss die vorhandene Kühlanordnung spätestens in der Lage sein, den Temperaturanstieg abzufangen und es beginnt die Abkühlung in fortlaufendem Grundlastbetrieb G. Genauso wie die zu kühlende Komponente 2 erreicht auch das Kühlmedium eine Spitzentemperatur.
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Die 4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung. Dabei ist am oberen Ende des Kühlluftstroms 120 an den Kühlkörper 1 ein Phasenwechselspeicher 10, z.B. aus Paraffin angeordnet. Dieser ist thermisch an den Kühlkörper 1 über eine Heatpipe 14 angekoppelt. Die Heatpipe 14 kann beispielsweise mit Wasser als Arbeitsmittel versehen sein. Die Kühlrippen 11 setzen sich bei dieser Anordnung auch im Bereich des Phasenwechselspeichers 16 fort, so dass dieser die aufgenommene Wärme beim Entladen effektiv an die Umgebung abgehen kann. Wie im senkrechten Querschnitt in 5 zu sehen ist, können auch mehreren Heatpipes 14 den Kühlkörper 1 und den PCM-Speicher 16 durchdringen.
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Liegt die kritische Temperatur Tmax beispielsweise bei 80°C, bietet sich Paraffin als Phasenwechselmaterial an. Liegen bei dem verwendeten Umrichter 2 die Taktrate so, dass das Zeitintervall der Überlast Δt1 60 s und das Zeitintervall des Grundlastbetriebs Δt2 240 s dauert, wobei im Grundlastbetrieb G eine Verlustleistung von 4 kW und im Überlastbetrieb eine Verlustleistung von 8 kW abzuführen ist, würde sich die größenmäßige Ausgestaltung des Paraffinspeichers folgendermaßen berechnen:
Über einen Zeitraum Δt1 von 60 s muss eine Verlustleistung von 8 kW abgeführt werden, was einer Wärmemenge Q von 480 kJ entspricht. Die Masse des verwendeten Phasenwechselspeichers sollte demnach 2,8 kg und das Nettospeichervolumen V 4,5 l betragen. Eine Überlast von 8 kW gegenüber einer Grundlast von 4 kW ist dabei eine durchaus übliche Größe. Verlustlasten können im Bereich zwischen 110% und 300 % der Grundlast liegen.
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Ist es durch eine erfindungsgemäße Kühlanordnung beispielsweise möglich die Maximaltemperatur Tmax der zu kühlenden Komponente 2 auf 80°C zu halten und nicht wie bei herkömmlichen Kühlvorrichtungen eine zeitlich kurze Überhöhung der Temperatur auf beispielsweise bis zu 120°C zuzulassen, kann die Lebensdauer der zu kühlenden Komponente 2, welche in diesem Fall ein Umrichter ist, bis zu verdoppelt werden.
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Die 7 zeigt ein Temperatur-Zeit-Diagramm analog zu 3 jedoch für eine Kühlvorrichtung mit Phasenwechselspeicher. Dabei sieht man, dass die Temperatur der zu kühlenden Komponente Tmax auf den maximal zulässigen Wert ansteigt, während die Temperatur des Phasenwechselmaterials Tc auf der Temperatur des Phasenübergangs bleibt. Im Bereich des Beladens des Speichers B wird also die abzuführende Wärme dem PCM-Speicher 16 zugeführt, ohne dass dessen Temperatur Tc ansteigt, da die Energie in die Phasenumwandlung gesteckt wird. Im Bereich der Entladung E des Phasenwechselspeichers 16 sinkt dann diese Temperatur wieder auf den Wert während des Grundlastbetriebs ab. Dieses Diagramm verdeutlicht nicht nur die Wirkungsweise des Phasenwechselspeichers, sondern auch, dass die vom Phasenwechselspeicher abzuführende Wärme nicht von derart hohen Temperaturen ausgeht wie beispielsweise bei herkömmlichen Kühlmedien.
