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Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für ein stromleitendes Element. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Kühlvorrichtung für ein stromleitendes Element, das an einen elektrischen Wandler angeschlossen werden kann.
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Bei elektrischen Anwendungen, bei denen hohe Leistungen und insbesondere hohe elektrische Ströme durch elektrische Leiter übertragen werden, entstehen regelmäßig hohe Temperaturen. In der Vergangenheit wurde der Versuch unternommen, die Temperaturbeständigkeit der elektrischen Leiter sowie der umgebenden Elemente zu erhöhen. Somit wurde im Stand der Technik bisher in Kauf genommen, dass bei stromleitenden Elementen eine sich ergebende hohe Temperatur im Material des stromleitenden Elements erzeugt wird.
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Bei Anwendungen, insbesondere bei elektrischen Wandlern, wurde bisher die Maximaltemperatur von elektrischen Bauteilen des elektrischen Wandlers als Obergrenze berücksichtigt. Insbesondere wurde in Bereichen hoher Temperatur an den elektrischen Elementen des elektrischen Wandlers eine Verringerung der elektrischen Leistung des Wandlers in Betracht gezogen, um das Versagen des Wandlers zu verhindern.
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Die Erfindung adressiert das vorstehend genannte Problem der begrenzten Temperaturbeständigkeit von elektrischen Wandlern im Zusammenhang mit am elektrischen Wandler angeschlossenen stromleitenden Elementen.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung für ein stromleitendes Element. Dabei kann die Kühlvorrichtung ein Gehäuse aufweisen, das einen von einer Kühlflüssigkeit durchströmbaren Innenraum bildet. Das stromleitende Element kann dabei zumindest abschnittsweise in dem von einer Kühlflüssigkeit durchströmbaren Innenraum so angeordnet werden, dass im stromleitenden Element entstehende Wärme auf die Kühlflüssigkeit übertragbar ist.
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Das stromleitende Element ist im vorliegenden Zusammenhang ein Element, das für elektrischen Strom leitfähig ist und zur Übertragung insbesondere von hohen Stromstärken ausgelegt ist. Das stromleitende Element kann insbesondere aus Kupfer oder Kupfer enthaltenden Legierungen hergestellt sein, wobei andere Metalle denkbar sind. Das stromleitende Element kann außerdem ein längliches Element sein, das einen Querschnitt aufweist, der für die Übertragung der vorbestimmten Stromstärke geeignet ist.
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Das Gehäuse kann einen Eintrittsdurchgang zum fluiddichten Einführen des stromleitenden Elements in den Innenraum und einen Austrittsdurchgang zum fluiddichten Abführen des stromleitenden Elements aus dem Innenraum aufweisen. Dabei können der Eintrittsdurchgang und der Austrittsdurchgang an den entsprechenden Querschnitt des stromleitenden Elements angepasst sein. Sofern das stromleitende Element einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, können der Eintrittsdurchgang und der Austrittsdurchgang ebenfalls einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Das stromleitende Element kann dabei im Bereich des Eintrittsdurchgangs und des Austrittsdurchgangs gegenüber dem Gehäuse abgedichtet sein. Die Abdichtung kann unter Berücksichtigung der vorliegenden Temperatur- und Druckverhältnisse geeignet ausgewählt werden. Insbesondere kann die Abdichtung einen Gummiring, einen Klebstoff oder andere geeignete Materialien aufweisen.
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Das Gehäuse kann einen Eintrittsanschluss und einen Austrittsanschluss zum Durchleiten der Kühlflüssigkeit durch den Innenraum des Gehäuses aufweisen. Insbesondere kann in den Eintrittsanschluss Kühlflüssigkeit in den Innenraum des Gehäuses eingeführt werden und gleichzeitig aus dem Austrittsanschluss abgeführt werden. Hierdurch kann eine Durchströmung des Innenraums mit der Kühlflüssigkeit erzeugt werden.
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Das stromleitende Element kann aus einem metallischen Werkstoff bestehen. Dabei kann die metallische Oberfläche des stromleitenden Elements zumindest abschnittsweise in Kontakt mit der Kühlflüssigkeit gebracht werden. Insbesondere kann eine üblicherweise vorgesehene Isolierung des stromleitenden Elements weggelassen werden. Durch diese Anordnung wird die Wärmeübertragung zwischen dem stromleitenden Element und der Kühlflüssigkeit verbessert.
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Der Eintrittsanschluss und der Austrittsanschluss zum Durchleiten der Kühlflüssigkeit durch den Innenraum des Gehäuses kann über Kühlflüssigkeitsleitungen mit einem Sekundärwärmetauscher in Verbindung stehen. Durch diese Anordnung wird eine Übertragung der in der Kühlflüssigkeit enthaltenen Wärme auf eine Sekundärkühlflüssigkeit ermöglicht. Insbesondere kann der Sekundärwärmetauscher durch die Sekundärkühlflüssigkeit durchströmt werden und eine derartige Anordnung aufweisen, dass eine Wärmeübertragung zwischen der Kühlflüssigkeit und der Sekundärkühlflüssigkeit ermöglicht wird. Als Sekundärwärmetauscher kommt jede Bauart infrage, die diesen Zweck erfüllt. Insbesondere kann der Sekundärwärmetauscher als Gegenstromwärmetauscher, Gleichstromwärmetauscher oder Ähnliches aufgebaut werden. Ferner kann der Sekundärwärmetauscher als Plattenwärmetauscher ausgeführt werden.
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Die Kühlflüssigkeit kann in einem geschlossenen Kreislauf zirkulieren. Dabei kann die Kühlflüssigkeit den Innenraum des Gehäuses und die Kühlflüssigkeitsleitungen, die mit einem Primärabschnitt des Sekundärwärmetauschers verbunden sind, in einer vorbestimmten Richtung durchströmen. Für einen solchen geschlossenen Kreislauf kann auch ein Druck- oder Volumenausgleichselement beispielsweise in den Kühlflüssigkeitsleitungen vorgesehen sein, um Druck- bzw. Volumenschwankungen aufnehmen zu können.
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Eine Zirkulationspumpe zur Zirkulation der Kühlflüssigkeit kann zu diesem Zweck vorgesehen werden. Die Zirkulationspumpe treibt die Kühlflüssigkeit derart an, dass die Zirkulation der Kühlflüssigkeit in dem geschlossenen Kreislauf erfolgen kann. Die Pumpe kann an die vorliegenden Gegebenheiten angepasst werden. Ferner kann eine drehzahlgeregelte Pumpe verwendet werden, um die Durchflussmenge der Kühlflüssigkeit pro Zeiteinheit und somit die Wärmeübertragungsleistung einstellen bzw. regeln zu können.
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Die Kühlflüssigkeit kann eine elektrisch nicht leitende Flüssigkeit sein. Als Kühlflüssigkeit kommt beispielsweise ein Kühlmedium der Handelsbezeichnung „Novec 649“ der Firma 3M infrage. Andere Kühlflüssigkeiten sind einsetzbar, solange eine ausreichende elektrische Isolierung aufrechterhalten werden kann und der elektrische Strom nicht nennenswert von der Kühlflüssigkeit übertragen wird.
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Zur Verbesserung der Wärmeübertragung kann das stromleitende Element zumindest abschnittsweise eine die Oberfläche vergrößernde Beschaffenheit aufweisen. Infrage kommen hierfür beispielsweise Rippen in Längsrichtung oder in Radialrichtung sowie Vertiefungen oder Erhebungen sowie auch Kombinationen dieser Maßnahmen. Durch eine solche Struktur wird zum einen die Oberfläche des stromleitenden Elements vergrößert, die mit der Kühlflüssigkeit in Kontakt steht, und zum anderen kann der Turbulenzgrad erhöht werden, was zu einer weitergehenden Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen dem stromleitenden Element und der Kühlflüssigkeit führt.
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Ferner ist ein elektrischer Wandler vorgesehen, der elektrische Eingangsleitungen und elektrische Ausgangsleitungen aufweist. Die elektrischen Eingangsleitungen und die elektrischen Ausgangsleitungen können dabei stromleitende Elemente gemäß der vorstehenden Darstellung bilden. Ferner weist der elektrische Wandler eine Kühlvorrichtung mit einem oder mehreren Merkmalen der vorhergehenden Darstellung auf. Dabei ist in diesem Fall zumindest ein stromleitendes Element in dem von der Kühlflüssigkeit durchströmbaren Innenraum des Gehäuses angeordnet.
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Bei dem elektrischen Wandler ist das in dem von der Kühlflüssigkeit durchströmbaren Innenraum angeordnete stromleitende Element mit dem Wandler mit einem derartigen Abstand angeschlossen, dass ein Wärmeeintrag vom stromleitenden Element in den elektrischen Wandler verringert werden kann. Hierzu sind die betrieblichen Gegebenheiten des Wandlers und der Eingangs- und Ausgangsleitungen zu berücksichtigen. Insbesondere wird der vorstehend genannte Abstand so ausgewählt, dass ein Wärmeeintrag von dem stromleitenden Element in den elektrischen Wandler verringert werden kann. Dabei ist zu berücksichtigen, dass durch die Verwendung der vorstehend dargestellten Kühlvorrichtung auch eine Abfuhr von Wärme aus dem elektrischen Wandler in Richtung des stromführenden Elements möglich ist. Dazu ist der Abstand zwischen Wandler und Kühlvorrichtung kurz zu wählen und eine ausreichende Kühlung des stromleitenden Elements durch die Kühlflüssigkeit zu gewährleisten.
- 1 zeigt den schematischen Aufbau einer Kühlvorrichtung gemäß einer Ausführungsform in Anwendung auf einen elektrischen Wandler.
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Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnung Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Zunächst wird die Kühlvorrichtung für das stromleitende Element gemäß einer Ausführungsform anhand von 1 erläutert.
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Das in 1 gezeigte Gehäuse 1 ist in der vorliegenden Ausführungsform mit einer kastenförmigen Ausgestaltung ausgebildet. Das Gehäuse 1 ist gemäß der vorliegenden Ausführungsform aus Kunststoff gebildet. Ferner weist das Gehäuse 1 einen Eintrittsanschluss 11 zum Einleiten einer Kühlflüssigkeit sowie einen Austrittsanschluss 12 zum Ableiten der Kühlflüssigkeit auf. Im Inneren des Gehäuses 1 ist ein Innenraum gebildet, der von der Kühlflüssigkeit durchströmbar ist.
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Im Innenraum des Gehäuses 1 sind stromleitende Elemente 5, 6 angeordnet. In der vorliegenden Ausführungsform sind zwei stromleitende Elemente 5, 6 in Parallelausrichtung nebeneinander mit einem vorbestimmten Abstand angeordnet. Die stromleitenden Elemente 5, 6 sind jeweils durch Eintrittsdurchgänge 13, 14 und Austrittsdurchgänge 15, 16 durch die gegenüberliegenden Wände des Gehäuses 1 hindurchgeführt. Somit liegt ein Abschnitt jedes stromleitenden Elements 5, 6 im Innenraum des Gehäuses 1. An den Eintrittsdurchgängen 13, 14 und den Austrittsdurchgängen 15, 16 ist jedes stromleitende Element gegenüber dem Gehäuse 1 abgedichtet.
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An den Abschnitten der stromleitenden Elemente 5, 6, die außerhalb des Gehäuses liegen, sind Anschlusselemente vorgesehen, die eine lösbare Verbindung mit den weiteren elektrischen Komponenten ermöglichen. Ferner ist in der vorliegenden Ausführungsform jedes stromleitende Element 5, 6 aus einer Kupferlegierung hergestellt, wodurch die Anforderungen an das stromleitende Element zur Übertragung von hohen Strömen erfüllt werden. In der vorliegenden Ausführungsform ist ferner jedes stromleitende Element 5, 6 an den innerhalb des Gehäuses 1 befindlichen Abschnitten ohne Isolierung ausgebildet. Insbesondere ist die metallische Oberfläche jedes stromleitenden Elements 5, 6 freigelegt und kann somit direkt in Kontakt mit der Kühlflüssigkeit gelangen, die durch den Innenraum des Gehäuses 1 hindurchzuleiten ist.
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Die durch den Innenraum des Gehäuses 1 hindurchzuleitende Flüssigkeit wird in der vorliegenden Ausführungsform in einem geschlossenen Kreislauf geführt. Dabei umfasst der geschlossene Kreislauf den Innenraum des Gehäuses 1, eine Kühlflüssigkeitsleitung 41, ein Primärwärmetauscherelement 45 eines Sekundärwärmetauschers 4 und eine Kühlflüssigkeitsleitung 42. In der vorliegenden Ausführungsform weist die Kühlflüssigkeitsleitung 42, die mit dem Austrittsanschluss 12 des Gehäuses 1 verbunden ist, einen Ausgleichsbehälter 44 auf. Dieser Ausgleichsbehälter 44 dient dazu, gegebenenfalls auftretende Volumen- oder Druckänderungen auszugleichen. Der Ausgleichsbehälter 44 bildet dazu in bekannter Weise eine freie Kühlflüssigkeitsoberfläche und dient zudem als Nachfüllanschluss für die Kühlflüssigkeit.
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In der Kühlflüssigkeitsleitung 42, die mit dem Eintrittsanschluss 11 des Gehäuses 1 verbunden ist, ist eine Zirkulationspumpe 43 vorgesehen. Diese Zirkulationspumpe 43 dient dazu, die Kühlflüssigkeit strömungstechnisch anzutreiben. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Zirkulationspumpe 43 eine herkömmliche Flügelradpumpe. Andere Pumpentypend sind jedoch denkbar.
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Das Primärwärmetauscherelement 45 des Sekundärwärmetauschers 4 verbindet die Kühlflüssigkeitsleitungen 41, 42, so dass durch den Betrieb der Pumpe 43 die Kühlflüssigkeit zirkulieren kann. Durch diese Zirkulation wird die Kühlflüssigkeit durch den Innenraum des Gehäuses 1 mit einer vorbestimmten Strömungsgeschwindigkeit geleitet. Dadurch kann in den stromleitenden Elementen 5, 6 entstehende Wärme auf die Kühlflüssigkeit übertragen werden, sofern die Temperatur der Kühlflüssigkeit geringer ist als die Oberflächentemperatur der stromleitenden Elemente 5, 6.
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Der Sekundärwärmetauscher 4 weist neben dem Primärwärmetauscherelement 45, das in den geschlossenen Kreislauf der Kühlvorrichtung integriert ist, ein Sekundärwärmetauscherelement 46 auf, das im thermischen Einflussbereich des Primärwärmetauscherelements 45 angeordnet ist. Das Sekundärwärmetauscherelement 46 ist in der vorliegenden Ausführungsform an einen Sekundärkühlkreislauf angeschlossen, der in der Figur nicht gezeigt ist. Der Sekundärkühlkreislauf kann ein gesondertes Kühlelement aufweisen oder an einen bestehenden Kühlkreislauf angeschlossen werden. In jedem Fall wird Sekundärkühlflüssigkeit über eine Sekundärkühlflüssigkeitsleitung 48 in das Sekundärwärmetauscherelement 46 eingeleitet und über eine Sekundärkühlflüssigkeitsleitung 47 abgeleitet. Sofern der Sekundärkühlkreislauf ein geschlossener Kreislauf ist, wird in das Sekundärwärmetauscherelement 46 Sekundärkühlflüssigkeit mit relativ geringer Temperatur eingeleitet, so dass die in das Primärwärmetauscherelement 45 strömende Kühlflüssigkeit gekühlt werden kann. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Sekundärwärmetauscher 4 als Gegenstromwärmetauscher ausgestaltet.
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Im Betrieb wird somit Kühlflüssigkeit durch den Innenraum des Gehäuses 1 geleitet, die die in den stromleitenden Elementen 5, 6 entstehende Wärme aufnehmen kann. Diese Wärme wird sodann durch den Betrieb der Zirkulationspumpe 43 durch das Primärwärmetauscherelement 45 geleitet. Durch den thermischen Einfluss des Primärwärmetauscherelements 45 und des Sekundärwärmetauscherelements 46 wird die in der Kühlflüssigkeit enthaltene Wärme auf die Sekundärkühlflüssigkeit übertragen, die durch das Sekundärwärmetauscherelement 46 strömt. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird als Kühlflüssigkeit, die durch den Innenraum des Gehäuses 1 strömt, eine elektrisch nicht leitende Flüssigkeit verwendet. Die in dem Sekundärkühlkreislauf zirkulierende Flüssigkeit kann eine herkömmliche Kühlflüssigkeit sein, beispielsweise eine glykolbasierte Kühlflüssigkeit oder Ähnliches.
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Die Kühlvorrichtung ist in der vorliegenden Ausführungsform an einen elektrischen Wandler über Anschlussleitungen 21, 22 angeschlossen. Die Kühlvorrichtung ist dabei als Adapter in die Anschlussleitungen einsetzbar. Hierzu sind entsprechende Anschlussverschraubungen vorgesehen.
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Der elektrische Wandler ist in der vorliegenden Ausführungsform ein DC/AC-Wandler, der eine Gleichspannung in eine vorbestimmte Wechselspannung wandelt. Dabei kann die Verwendung von DC-Zwischenstufen und weiteren Wandlerbaugruppen eingeschlossen sein. Bei solchen Anwendungen treten regelmäßig hohe Ströme an den Leitungen auf, insbesondere wenn der elektrische Wandler 2 zum Antrieb einer nicht gezeigten elektrischen Maschine verwendet wird. Derartige elektrische Wandler weisen elektrische Baugruppen, insbesondere MOSFET-Elemente und Transistorbaugruppen auf, die bis zu einer vorbestimmten Temperatur, beispielsweise 80°C, mit Nennleistung betreibbar sind. Bei übermäßigem Anstieg der Temperatur an den elektrischen Bauteilen des elektrischen Wandlers 2 wird jedoch die Leistung unterhalb der Nennleistung verringert. Im Übrigen würde bei übermäßiger Erhöhung der Temperatur oberhalb eines absoluten Grenzwerts eine Abschaltung des elektrischen Wandlers 2 erfolgen, um eine Beschädigung der Bauteile zu verhindern.
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Stromleitende Elemente, die in solchen Anwendungen verwendet werden, sind üblicherweise auf eine höhere Temperatur, beispielsweise 200°C, ausgelegt. Die durch die hohen durchgeleiteten Ströme entstehende Temperatur würde in dem in 1 dargestellten Aufbau über die Anschlussleitungen 21, 22 in den elektrischen Wandler 2 eingeleitet. Insbesondere weisen die Anschlussleitungen 21, 22 sowie die stromleitenden Elemente 5, 6 einen großen Querschnitt sowie eine gute thermische Leitfähigkeit auf, was dieses Phänomen unterstützen würde. Durch die hier vorgestellte Lösung werden die stromleitenden Elemente 5, 6 auf eine Temperatur gekühlt, die deutlich unter der maximal möglichen Temperatur des verwendeten Materials liegt. Somit wird bereits durch die Verringerung der Temperatur der stromleitenden Elemente 5, 6 das Phänomen des Eintrags der Wärme von den stromleitenden Elementen 5, 6 in den elektrischen Wandler 2 verringert.
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Jedoch kann durch entsprechende Einrichtung und Betriebsweise der Kühlvorrichtung die Temperatur der stromleitenden Elemente 5, 6 derart verringert werden, dass sich ein Wärmestrom aus dem Inneren des elektrischen Wandlers 2 über die Anschlussleitungen 21, 22 in die stromleitenden Elemente 5, 6 ergibt. In diesem Fall würde die Kühlvorrichtung indirekt als Kühlsystem für den elektrischen Wandler 2 dienen. Im Ergebnis kann in jedem Fall die Leistungsfähigkeit des elektrischen Wandlers 2 unter Berücksichtigung der Temperaturvorgaben verbessert werden. Ein frühzeitiger Leistungsabfall des elektrischen Wandlers 2 kann durch die Kühlvorrichtung gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform verringert werden und gegebenenfalls in vorteilhafter Weise verringert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 11
- Eintrittsanschluss
- 12
- Austrittsanschluss
- 13, 14
- Eintrittsdurchgang
- 15, 16
- Austrittsdurchgang
- 2
- elektrischer Wandler
- 21-24
- Anschlussleitung
- 3
- durchströmbarer Innenraum
- 4
- Sekundärwärmetauscher
- 41, 42
- Kühlflüssigkeitsleitung
- 43
- Zirkulationspumpe
- 44
- Ausgleichsbehälter
- 45
- Primärwärmetauscherelement
- 46
- Sekundärwärmetauscherelement
- 47,48
- Sekundärkühlflüssigkeitsleitung
- 5, 6
- stromleitendes Element
