DE102014013755A1 - Fan arrangement and power electronic circuit - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Lüfteranordnung (1) beschrieben, die einen eine Filterebene (18) als Eintrittsfläche für einen Kühlluftstrom definierenden Luftfilter (10) und einen Luftkanal (11) umfasst, über den der Kühlluftstrom in eine Dekompressionskammer (12) geleitet wird. Ein an einer Austrittsseite der Dekompressionskammer (12) angeordneter Radiallüfter (13) ist derart angeordnet, dass eine Drehachse (17) des Radiallüfters (13) mit der Filterebene (18) einen Winkel von weniger als 10° bildet. Die Lüfteranordnung (1) kann Teil einer leistungselektronischen Schaltung (4) insbesondere zum Einsatz im Außenbereich von Zügen sein.The invention relates to a fan arrangement (1) which comprises an air filter (10) defining a filter plane (18) as the entry surface for a cooling air flow and an air duct (11) via which the cooling air flow is conducted into a decompression chamber (12). A radial fan (13) arranged on an exit side of the decompression chamber (12) is arranged such that an axis of rotation (17) of the radial fan (13) forms an angle of less than 10 ° with the filter plane (18). The fan assembly (1) may be part of a power electronic circuit (4) in particular for use in the outer region of trains.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lüfteranordnung, sowie eine luftgekühlte leistungselektronische Schaltung mit der Lüfteranordnung als Kühlelement.The invention relates to a fan assembly, and an air-cooled power electronic circuit with the fan assembly as a cooling element.

Die Entwärmung von leistungselektronischen Schaltungen erfordert regelmäßig den Einsatz eines aktiven Lüftungssystems, über den ein Luftstrom von einem Außenbereich in ein Gehäuse der leistungselektronischen Schaltung eingesaugt und über die zu entwärmenden Komponenten der leistungselektronischen Schaltung geleitet wird. Solche aktiven Lüftungssysteme enthalten zum Erzielen eines ausreichenden Kühlluftstromes motorbetriebene Lüfter, wobei zur Minimierung des Strömungswiderstandes der Kühlluftstromes möglichst wenig umgelenkt wird. Da solche motorbetriebenen Lüfter eine für bestimmte Einsatzbereiche nicht akzeptable Geräuschentwicklung zur Folge haben, ist ein konstruktiver Aufwand zur Dämpfung der erzeugten Geräusche des Lüfters erforderlich. Wünschenswert ist daher eine Lüfteranordnung zur Entwärmung von leistungselektronischen Schaltungen, die baulich kompakt und geräuscharm betreibbar ist, sowie energieeffizient einen ausreichenden Kühlluftstrom bereitstellt.The cooling of power electronic circuits regularly requires the use of an active ventilation system, through which an air flow from an outside area is sucked into a housing of the power electronic circuit and passed over the components of the power electronic circuit to be cooled. Such active ventilation systems include to achieve a sufficient cooling air flow motor-driven fan, which is deflected to minimize the flow resistance of the cooling air flow as little as possible. Since such motor-driven fans have an unacceptable noise for certain applications result in a design effort for damping the noise generated by the fan is required. It is therefore desirable a fan assembly for cooling power electronic circuits, which is structurally compact and quiet operation, as well as energy efficient provides sufficient cooling air flow.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lüfteranordnung bereitzustellen, die kostengünstig und kompakt ist, sowie eine nur geringe Lärmemission im Betrieb verursacht. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine leistungselektronische Schaltung bereitzustellen, die unter den vorgenannten Bedingungen betreibbar ist.It is therefore an object of the present invention to provide a fan assembly which is inexpensive and compact, and causes little noise emission during operation. It is another object of the invention to provide a power electronic circuit which is operable under the aforementioned conditions.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Lüfteranordnung gemäß des unabhängigen Anspruches 1, sowie durch eine leistungselektronische Schaltung gemäß dem nebengeordneten Anspruch 7. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.This object is achieved by a fan assembly according to the independent claim 1, and by a power electronic circuit according to the independent claim 7. Preferred embodiments of the invention are described in the dependent claims.

Eine Lüfteranordnung gemäß dieser Erfindung umfasst einen Luftfilter, der eine Filterebene als Eintrittsfläche für einen Kühlluftstrom definiert, wobei der Kühlluftstrom weiter über einen Luftkanal in eine Dekompressionskammer geleitet wird. Ein Radiallüfter ist an einer Austrittsseite der Dekompressionskammer derart angeordnet, dass eine Drehachse des Radiallüfters mit der Filterebene einen Winkel von weniger als 10° bildet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Drehachse des Radiallüfters parallel zur Filterebene ausgerichtet.A fan assembly according to this invention comprises an air filter defining a filter plane as an entrance surface for a cooling air flow, the cooling air flow being further directed via an air duct into a decompression chamber. A radial fan is arranged on an outlet side of the decompression chamber such that an axis of rotation of the radial fan with the filter plane forms an angle of less than 10 °. In a preferred embodiment, the axis of rotation of the radial fan is aligned parallel to the filter plane.

Auf diese Weise wird die Ausbildung eines Kühlluftstromes mit relativ geringem Strömungswiderstand bei gleichzeitig hohem Luftdurchsatz erreicht, wobei ein Austritt von Schall, der insbesondere durch den Radiallüfter verursacht wird, effektiv unterdrückt wird. Gleichzeitig wird eine besonders kompakte Bauform der Lüfteranordnung erreicht. Zur weiteren Unterdrückung des Schallaustritts kann in der Dekompressionskammer an einer dem Radiallüfter gegenüberliegenden Seite eine schallabsorbierende Verkleidung angebracht sein.In this way, the formation of a cooling air flow is achieved with relatively low flow resistance at the same time high air flow, with an escape of sound, which is caused in particular by the radial fan is effectively suppressed. At the same time a particularly compact design of the fan assembly is achieved. For further suppression of the sound outlet, a sound-absorbing cladding may be provided in the decompression chamber on a side opposite the radial fan.

In einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist eine Ausdehnung eines Lüftergehäuses der Lüfteranordnung in Richtung der Drehachse des Radiallüfters geringer als ein Durchmesser des Radiallüfters. Sofern es bauliche Vorgaben zulassen, kann sich die Dekompressionskammer in Richtung der Drehachse des Radiallüfters über den Luftfilter oder über eine Montageebene eines Gehäuses der Lüfteranordnung hinaus erstrecken.In an advantageous variant of the invention, an expansion of a fan housing of the fan arrangement in the direction of the axis of rotation of the radial fan is less than a diameter of the radial fan. If structural specifications permit, the decompression chamber may extend in the direction of the axis of rotation of the radial fan via the air filter or over a mounting plane of a housing of the fan assembly.

Weiterhin Gegenstand dieser Erfindung ist eine leistungselektronischen Schaltung mit einer vorstehend beschriebenen Lüfteranordnung. In einer bevorzugten Variante wird die leistungselektronische Schaltung im Außenbereich eines Zuges eingesetzt und erfüllt die besonderen Vorgaben dieses Einsatzbereiches.Further subject of this invention is a power electronic circuit with a fan assembly described above. In a preferred variant, the power electronic circuit is used in the exterior of a train and meets the specific requirements of this application.

Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren dargestellt, von denenIn the following the invention is illustrated by means of figures, of which

1 eine erfindungsgemäße Ausführung einer Lüfteranordnung, 1 an embodiment of a fan assembly according to the invention,

2 eine zweite erfindungsgemäße Ausführung einer Lüfteranordnung, 2 a second embodiment of a fan assembly according to the invention,

3 eine Außenansicht einer erfindungsgemäßen Lüfteranordnung, sowie 3 an external view of a fan assembly according to the invention, as well

4 eine erfindungsgemäße leistungselektronische Schaltung zeigt. 4 a power electronic circuit according to the invention shows.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Lüfteranordnung 1, die in einem Lüftergehäuse 20 angeordnet ist. Die Luft wird über einen Luftfilter 10 in das Lüftergehäuse 20 eingesaugt. Der Luftfilter 10 ist als flächiger Filter ausgelegt, so dass er eine Filterebene 18 definiert, durch die die Luft in das Lüftergehäuse 20 eintritt. Nach dem Eintritt wird die Luft durch einen Luftkanal 11 in eine Dekompressionskammer 12 geleitet. Der Strömungsquerschnitt des Luftkanals ist im Vergleich zu den Innenmaßen der Dekompressionskammer 12 so gewählt, dass sich im Luftkanal 11 ein höherer Druck ausbildet als in der Dekompressionskammer 12. Hierdurch wird ein Abklingen von Turbulenzen in der angesaugten Luft innerhalb der Dekompressionskammer 12 erreicht, wodurch ein höherer Luftdurchsatz bei geringerer Geräuschbildung erreichbar ist. 1 shows a fan assembly according to the invention 1 in a fan housing 20 is arranged. The air is through an air filter 10 in the fan housing 20 sucked. The air filter 10 is designed as a flat filter, so he has a filter level 18 defined by which the air in the fan housing 20 entry. After entering the air is through an air duct 11 in a decompression chamber 12 directed. The flow cross-section of the air duct is compared to the internal dimensions of the decompression chamber 12 chosen so that in the air duct 11 creates a higher pressure than in the decompression chamber 12 , This will reduce turbulence in the intake air within the decompression chamber 12 achieved, whereby a higher air flow with less noise is achievable.

Aus der Dekompressionskammer 12 wird die Luft dann von einem Radiallüfter 13 angesaugt und von einem Lüfterrad 15, welches durch einen auf einer der Dekompressionskammer 12 gegenüberliegenden Seite des Lüfterrades 15 angeordneten Motor 14 zur Rotation um eine Drehachse 17 angetrieben wird. Als Folge wird die angesaugte Luft entlang eines äußeren Umfanges des Lüfterrades 15 radial ausgestoßen. Anschließend verlässt die Luft das Lüftergehäuse 20 an einem Luftauslass 19, an den sich beispielsweise eine nicht gezeigte leistungselektronische Schaltung anschließen kann, die mit Hilfe der Luft kühlbar ist. Ein Gehäuse der leistungselektronischen Schaltung kann an einer Montageebene 19 an das Gehäuse 20 der Lüfteranordnung 1 befestigt sein, wobei Teile der Lüfteranordnung, hier die Dekompressionskammer 12 sich über die Montageebene 21 hinaus erstrecken können.From the decompression chamber 12 then the air gets from a radial fan 13 sucked in and out by a fan 15 , which by a on one of the decompression chamber 12 opposite side of the fan wheel 15 arranged engine 14 for rotation about a rotation axis 17 is driven. As a result, the sucked air along an outer circumference of the fan wheel 15 radially ejected. Then the air leaves the fan housing 20 at an air outlet 19 to which, for example, a power electronic circuit, not shown, can connect, which can be cooled by means of the air. A housing of the power electronic circuit can at a mounting level 19 to the housing 20 the fan assembly 1 be attached, with parts of the fan assembly, here the decompression chamber 12 over the assembly level 21 can extend out.

Der insbesondere im Bereich des äußeren Umfanges des Lüfterrades 15 erzeugte Schall kann das Lüftergehäuse 20 im Wesentlichen nur über den Luftauslass 19 oder den Luftfilter 10 verlassen. Da sich an den Luftauslass 19 eine zu kühlende Anordnung anschließt, kann der Schallaustritt aus dem Luftauslass 19 hier unberücksichtigt bleiben. Der durch den Luftfilter 10 austretende Schall wird dadurch besonders effektiv reduziert, indem durch die bauliche Auslegung des Luftweges eine möglichst häufige Reflektion des Schalls verursacht wird. Hierzu wird die Orientierung der Drehachse 17 in 1 so gewählt, dass sie parallel zur Filterebene 18 verläuft. Durch diese Orientierung wird zusätzlich eine besonders kompakte Bauform erreicht, so dass eine Breite des Lüftergehäuses 20 beziehungsweise eine Breite des Luftfilters geringer gewählt werden kann als ein Durchmesser des Lüfterrades 15 des Radiallüfters 13.The particular in the region of the outer circumference of the fan wheel 15 Sound generated can be the fan housing 20 essentially only via the air outlet 19 or the air filter 10 leave. As at the air outlet 19 adjoining a cooling arrangement, the sound outlet from the air outlet 19 disregarded here. The through the air filter 10 Exiting sound is thereby particularly effectively reduced by the most frequent reflection of the sound is caused by the structural design of the airway. For this purpose, the orientation of the axis of rotation 17 in 1 chosen so that they are parallel to the filter plane 18 runs. By this orientation, a particularly compact design is additionally achieved, so that a width of the fan housing 20 or a width of the air filter can be chosen smaller than a diameter of the fan wheel 15 of the radial fan 13 ,

Der aus dem Radiallüfter 13 in Richtung der Dekompressionskammer 12 austretende Schall wird zunächst hauptsächlich an der dem Radiallüfter 13 gegenüberliegenden Wand der Dekompressionskammer 12 reflektiert und in Richtung des Radiallüfters 13 zurückgeworfen. Daher ist an der dem Radiallüfter 13 gegenüberliegenden Wand der Dekompressionskammer 12 in einer bevorzugten Ausführung der Lüfteranordnung 1 eine schallabsorbierende Verkleidung 16 angebracht. Diese kann bevorzugt als Schaumstoff- oder Vliesschicht ausgebildet und beispielsweise per Kleben oder Klemmen befestigt sein. Zur Erreichung einer effektiven Geräuschdämpfung ist es weiterhin bevorzugt, die Anordnung und Bemaßung der Dekompressionskammer 12 und des Luftkanals 11 so zu gestalten, dass ein direkter Schallweg vom Radiallüfter 13 oder dessen Anschlussflansch an die Dekompressionskammer 12 in Richtung zum Luftfilter 10 vermieden wird.The one from the radial fan 13 in the direction of the decompression chamber 12 Exiting sound is initially mainly at the radial fan 13 opposite wall of the decompression chamber 12 reflected and in the direction of the radial fan 13 thrown back. Therefore, at the radial fan 13 opposite wall of the decompression chamber 12 in a preferred embodiment of the fan assembly 1 a sound absorbing panel 16 appropriate. This may preferably be formed as a foam or nonwoven layer and attached, for example, by gluing or clamping. To achieve effective noise damping, it is further preferred that the arrangement and dimensioning of the decompression chamber 12 and the air duct 11 To design a direct sound path from the radial fan 13 or its connection flange to the decompression chamber 12 towards the air filter 10 is avoided.

Die erfindungsgemäße Anordnung der Lüfteranordnung der 2 unterscheidet sich von der Lüfteranordnung aus 1 dadurch dass die Drehachse einen Winkel ϕ gegenüber der parallelversetzten Filterebene 18 aufweist. Der Winkel ϕ wird geringer als 10° gewählt, so dass der erfindungsgemäße Effekt weiterhin erzielt wird. Bei größeren Winkeln wird entweder die Bauform der Lüfteranordnung 1 in unerwünschter Weise vergrößert oder die Geräuschemission wird in unerwünschter Weise erhöht. Die Drehachse 17 des Radiallüfters 13 kann auch in einer gegenüber der 2 entgegengesetzten Richtung gekippt sein.The inventive arrangement of the fan assembly of 2 differs from the fan assembly 1 in that the axis of rotation forms an angle φ with respect to the parallel offset filter plane 18 having. The angle φ is chosen to be less than 10 °, so that the effect according to the invention is still achieved. For larger angles, either the design of the fan assembly 1 undesirably increased or the noise emission is undesirably increased. The rotation axis 17 of the radial fan 13 can also be in a versus the 2 be tilted in the opposite direction.

In 3 ist eine dreidimensionale Außenansicht der Lüftergehäuses 20 der Lüfteranordnung 1 gezeigt. Durch den eine Filterebene definierenden Luftfilter 10 wird Außenluft in das Lüftergehäuse 20 eingesaugt und durch den Luftauslass 19 wieder abgegeben. Das Lüftergehäuse 20 kann auf diese Weise als Kühlmodul eines vorzugsweise auf der Seite des Luftauslasses 19 angeordneten Gehäuse einer leistungselektronischen Schaltung genutzt werden. In einer alternativen Ausführung kann der Luftauslass 19 auch auf der dem Luftfilter 10 gegenüberliegenden Seite des Lüftergehäuses 20 angeordnet sein.In 3 is a three-dimensional exterior view of the fan housing 20 the fan assembly 1 shown. Through the air filter defining a filter plane 10 outside air gets into the fan housing 20 sucked in and through the air outlet 19 delivered again. The fan housing 20 can in this way as a cooling module of a preferably on the side of the air outlet 19 arranged housing a power electronic circuit can be used. In an alternative embodiment, the air outlet 19 also on the air filter 10 opposite side of the fan housing 20 be arranged.

4 zeigt eine solche leistungselektronische Schaltung 4, wie sie bevorzugt für Bahnanwendungen eingesetzt werden kann. Bei Bahnanwendungen wird die leistungselektronische Schaltung regelmäßig unter den Waggons eines Zuges befestigt. Aufgrund der Platzvorgaben und um eine geringe Verschmutzung des Luftfilters sicherzustellen ist es wünschenswert, dass Kühlluft von der Seite des Waggons angesaugt wird. Gleichzeitig darf eine vorgegebene Länge der leistungselektronischen Schaltung 4 in Fahrtrichtung des Zuges nicht überschritten werden. Daher ist es wünschenswert, dass die Ausdehnung der Lüfteranordnung 1 in dieser Richtung minimal ist. Die Lüfteranordnung 1 ist direkt an dem Gehäuse der leistungselektronischen Schaltung 4 angebracht, so dass der Luftauslass 19 direkt mit einer ersten Kammer 44 der leistungselektronischen Schaltung 4 verbunden ist und die austretende Luft in diese Kammer eingeblasen wird. In der Kammer 44 sind Wickelgüter 40, sowie Kühlkörper 41 angeordnet, die mittels des Luftstromes gekühlt werden. Am Ende der Kammer 44 ist ein Luftauslass 43 angeordnet, über den der Luftstrom das Gehäuse der leistungselektronischen Schaltung 4 verlässt. Der Kühlkörper 41 erstreckt sich durch eine Trennwand hindurch in eine zweite Kammer, in der eine Leiterplatte 42 in thermischen Kontakt mit dem Kühlkörper 41 gebracht ist. Leistungselektronische Komponenten, insbesondere Halbleiterschalter, werden auf diese Weise mithilfe des Kühlkörpers 41 entwärmt. 4 shows such a power electronic circuit 4 as it can be used preferably for railway applications. In railway applications, the power electronic circuit is regularly mounted under the wagons of a train. Due to the space constraints and to ensure low fouling of the air filter, it is desirable that cooling air be drawn from the side of the car. At the same time, a given length of the power electronic circuit may 4 in the direction of travel of the train are not exceeded. Therefore, it is desirable that the expansion of the fan assembly 1 in this direction is minimal. The fan arrangement 1 is directly on the housing of the power electronic circuit 4 attached so that the air outlet 19 directly with a first chamber 44 the power electronic circuit 4 is connected and the escaping air is blown into this chamber. In the chamber 44 are winding goods 40 , as well as heat sink 41 arranged, which are cooled by the air flow. At the end of the chamber 44 is an air outlet 43 arranged over which the air flow the housing of the power electronic circuit 4 leaves. The heat sink 41 extends through a partition wall into a second chamber, in which a printed circuit board 42 in thermal contact with the heat sink 41 brought is. Power electronic components, in particular semiconductor switches, are in this way using the heat sink 41 entwärmt.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Lüfteranordnungfan arrangement
44
Leistungselektronische SchaltungPower electronic circuit
1010
Luftfilterair filter
1111
Luftkanalair duct
1212
Dekompressionskammerdecompression chamber
1313
Radiallüfterradial fans
1414
Motorengine
1515
Lüfterradfan
1616
Verkleidungpaneling
1717
Drehachseaxis of rotation
1818
Filterebenefilter level
1919
Luftauslassair outlet
2020
Lüftergehäusefan housing
2121
Montageebenemounting level
4040
Wickelgutwinding
4141
Kühlkörperheatsink
4242
Leiterplattecircuit board
4343
Kühlluftauslasscooling air outlet
4444
Kammerchamber

Claims (8)

Lüfteranordnung (1), umfassend – einen Luftfilter (10), der eine Filterebene (18) als Eintrittsfläche für einen Kühlluftstrom definiert, – einen Luftkanal (11), über den der Kühlluftstrom in eine Dekompressionskammer (12) geleitet wird, – einen Radiallüfter (13), der an einer Austrittsseite der Dekompressionskammer (12) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Radiallüfter (13) derart angeordnet ist, dass eine Drehachse (17) des Radiallüfters (13) mit der Filterebene (18) einen Winkel von weniger als 10° bildet.Fan arrangement ( 1 ), comprising - an air filter ( 10 ), which has a filter level ( 18 ) defined as the entry surface for a cooling air flow, - an air duct ( 11 ), via which the cooling air flow into a decompression chamber ( 12 ), - a radial fan ( 13 ) located on an exit side of the decompression chamber ( 12 ), characterized in that the radial fan ( 13 ) is arranged such that a rotation axis ( 17 ) of the radial fan ( 13 ) with the filter level ( 18 ) forms an angle of less than 10 °. Lüfteranordnung nach Anspruch 1, wobei die Dekompressionskammer (12) an einer dem Radiallüfter gegenüberliegenden Seite eine schallabsorbierende Verkleidung (16) aufweist.Fan arrangement according to claim 1, wherein the decompression chamber ( 12 ) on a side opposite the radial fan side a sound-absorbing lining ( 16 ) having. Lüfteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Motor des Radiallüfters (13) auf einer der Dekompressionskammer (12) gegenüberliegenden Seite des Radiallüfters (13) angeordnet ist.Fan arrangement according to claim 1 or 2, wherein a motor of the radial fan ( 13 ) on one of the decompression chambers ( 12 ) opposite side of the radial fan ( 13 ) is arranged. Lüfteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Drehachse (17) des Radiallüfters (13) parallel zur Filterebene (18) verläuft.Fan arrangement according to one of the preceding claims, wherein the axis of rotation ( 17 ) of the radial fan ( 13 ) parallel to the filter plane ( 18 ) runs. Lüfteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Ausdehnung eines Lüftergehäuses (20) der Lüfteranordnung (1) in Richtung der Drehachse (17) des Radiallüfters (13) geringer ist als ein Durchmesser des Radiallüfters (13).Fan arrangement according to one of the preceding claims, wherein an extension of a fan housing ( 20 ) of the fan assembly ( 1 ) in the direction of the axis of rotation ( 17 ) of the radial fan ( 13 ) is less than a diameter of the radial fan ( 13 ). Lüfteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich die Dekompressionskammer (12) in Richtung der Drehachse (17) des Radiallüfters (13) über eine Montageebene (21) der Lüfteranordnung (1) hinaus erstreckt.Fan arrangement according to one of the preceding claims, wherein the decompression chamber ( 12 ) in the direction of the axis of rotation ( 17 ) of the radial fan ( 13 ) via an assembly level ( 21 ) of the fan assembly ( 1 ) extends. Leistungselektronische Schaltung (4) mit einer Lüfteranordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche.Power electronic circuit ( 4 ) with a fan assembly ( 1 ) according to one of the preceding claims. Leistungselektronische Schaltung nach Anspruch 7, wobei die leistungselektronische Schaltung im Außenbereich eines Zuges eingesetzt wird.Power electronic circuit according to claim 7, wherein the power electronic circuit is used in the outer region of a train.
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