DE102019219573A1

DE102019219573A1 - Stromrichterkühlung in der Luftfahrt

Info

Publication number: DE102019219573A1
Application number: DE102019219573.3A
Authority: DE
Inventors: Uwe Waltrich
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2019-12-13
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2021-06-17
Also published as: US20210179285A1; US11713131B2

Abstract

Die Erfindung gibt eine Anordnung zur Kühlung mindestens eines Leistungshalbleiterbauelemente (1.2) aufweisenden Leistungsmoduls (1) eines Stromrichters (10), wobei das Leistungsmodul (1) in der Antriebsströmung (S) eines Triebwerks derart angeordnet ist, dass Kühlrippen (2) des Leistungsmoduls (1) von der Antriebsströmung (S) umströmt werden.Die Erfindung gibt auch einen Stromrichter, insbesondere einen Inverter (10), mit einer derartigen Anordnung sowie ein Luftfahrzeug, insbesondere ein Flugzeug (11), mit einem derartigen Stromrichter an.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung eines Leistungshalbleiterbauelemente aufweisenden Leistungsmoduls eines Stromrichters. Die Erfindung betrifft auch einen Stromrichter mit einer derartigen Anordnung sowie ein Luftfahrzeug, insbesondere ein Flugzeug, mit einem Stromrichter mit einer derartigen Anordnung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Leistungsmodule für bekannte Stromrichter erzeugen Abwärme und müssen in der Regel gekühlt werden. Dazu werden beispielsweise Leistungsmodule aus Flachbaugruppen mit einem planen Luftkühler gekühlt.
In der Offenlegungsschrift DE 10 2018 216 859 A1 wird eine Kühlung von Leistungshalbleitern eines Leistungsmoduls mit Hilfe von speziell ausgebildeten und angeordneten Kühlrippen beschrieben. Die Leistungshalbleiter sind Bauelemente eines Stromrichters, insbesondere eines Inverters.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung anzugeben, durch die die Kühlung von Leistungsmodulen von Stromrichtern bei Anwendungen in der Luftfahrt sichergestellt wird.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
In der Luftfahrt liegen aerodynamisch optimierte bzw. verrundete Oberflächen vor, die von der kühlenden Luft umströmt werden. Soll der Luftstrom, der aufgrund eines Propellers oder einer Turbine erzeugt wird, zur Kühlung genutzt werden, sind konstruktive Aufwendungen notwendig, um die flache Baugruppe an die vorliegenden Freiformflächen anzubinden.
Zur Anbindung der flachen leistungselektronischen Baugruppe müssen Modifikationen an bestehenden Strukturbauelementen vorgenommen werden, oder bestehende dünnwandige Strukturbauelemente verstärkt werden. Bekannt ist es, die flachen Baugruppen zu segmentieren und einseitig gekühlt an abgeflachte Kühlflächen anzubinden.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft die Leistungsmodule. Die thermisch kritischsten Komponenten des Stromrichters, nämlich die Leistungsmodule, werden doppelseitig über integrierte Luftkühler und der vorhandenen Antriebsströmung gekühlt.
Die Leistungsmodule werden stirnseitig über Steckkontakte durch die Außenwandung des Triebwerks oder Gondel geführt, um dort elektrisch mit den anderen Komponenten (DC-Kondensator/Treiberplatine, etc.) des Stromrichters kontaktiert zu werden. Hierdurch minimiert sich die Kontaktfläche zur gebogenen Anbindungsstruktur und ist für die Kühlung der Leistungsmodule nicht mehr relevant.
Die Leistungsmodule werden längs zur Strömungsrichtung angeordnet und besitzen im optimalen Fall eine strömungsoptimierte flache Form (z.B. Haifischflosse) mit seitlichen Kühlfinnen (= Kühlrippen).
Die weiteren Komponenten des Stromrichters (wie DC-Kondensator, Motoranbindung, Treiberplatine, etc.) befinden sich auf der gegenüberliegenden Seite der Außenwandung (Innen oder Außen, je nach Bauform des Antriebs, bei Turbofan (= Turbinenschaufeln) außen / bei Propellergondeln innen), um den Druckverlust im Antriebsströmungsbereich minimal zu halten. Sie werden über die Anbindung an die Außenwandung gekühlt.
Bei Turbofantriebwerken gibt es einen nicht durchströmten Zwischenraum bzw. Hohlraum zwischen der Außenwandung und der Gondelwand.
Die Bauform des Leistungsmoduls bzw. des integrierten Kühlers ist robust genug, um Beschädigungen des Leistungsmoduls durch beschleunigte Partikel etc. auszuschließen. Vorteilhaft sind keramisch eingebettete Module mit einem integrierten doppelseitigen Keramikkühler.
Alternativ kann das Leistungsmodul über ein Gehäuse (= „Protection Case“) verfügen, das entsprechende Öffnungen für die Kühlfinnen besitzt, einen zusätzlichen Schutz bietet und die notwendige aerodynamische Form generiert. Dadurch können auch klassische, bekannte, doppelseitig kühlbare Leistungsmodule eingesetzt werden.
Zusammengefasst offenbart die Erfindung ein luftgekühltes Stromrichterkonzept mit doppeltseitig gekühlten Leistungsmodulen zur Nutzung der Triebwerksströmung als Kühlmittelstrom zur Integration und Anbindung auf bestehenden abgerundeten Strukturbauelementen, wie der Triebwerksgondel.
Die Erfindung bietet folgende Vorteile:

- Eine Flexible Bauweise für flache als auch runde Kühlflächen, im Grunde unabhängig von der Form der „Kühlfläche“, da die Kühlfläche beidseitig an dem Leistungsmodul sitzen.
- Eine Möglichkeit zur Integration auf bestehenden Strukturbauelementen, z.B. auf die runde Außenhaut einer Triebwerksgondel.
- Ein Stromrichterkonzept mit doppelseitiger Luftkühlung von Leistungsmodulen.
- Eine Nutzung der Triebwerksströmung als Kühlströmung, so dass kein zusätzlicher Lüfter notwendig ist.
- Eine einfache Austauschbarkeit der lebensdauerrelevanten Stromrichterkomponenten durch steckbare AC-, DC- und Steuerungsanbindung.
- Eine integrierte Kühlung der Stromzuführung und Stromabführung und des Zwischenkreiskondensators.

Die Erfindung beansprucht eine Anordnung zur Kühlung mindestens eines mehrere Leistungshalbleiterbauelemente aufweisenden Leistungsmoduls eines Stromrichters, wobei das Leistungsmodul in der Antriebsströmung eines Triebwerks derart angeordnet ist, dass Kühlrippen des Leistungsmoduls von der Antriebsströmung umströmt werden.
Die Antriebsströmung eines Triebwerks wird auch mit Triebwerk-Abstrahl bzw. Rotor-Abstrahl bezeichnet. Die Kühlrippen werden auch als Kühlfinnen bezeichnet.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Leistungsmodul zylinderförmig oder kegelstumpfförmig ausgebildet und die Kühlrippen sind parallel zur Antriebsströmung ausgerichtet.
Unter zylinderförmig wird allgemein ein Zylinder mit einer beliebigen Grund- bzw. Deckfläche verstanden. Ähnliches gilt für kegelstumpfförmig. Ein gerader Quader ist beispielsweise auch ein Zylinder.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Kühlrippen in Richtung der Antriebsströmung links und rechts an dem Leistungsmodul ausgebildet.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Anordnung eine Triebwerksgondel auf, an der das Leistungsmodul angeordnet ist.
Die Antriebsgondel wird in der Luftfahrt auch mit „Nacelle“ bezeichnet.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Anordnung Wechselstromleitungen auf, die einen Elektromotor mit dem Leistungsmodul verbindende, wobei die Wechselstromleitungen derart an der Triebwerksgondel angeordnet sind, dass sie an diese Wärme abgeben können, d.h. sie stehen bezüglich Wärmetransport in Wirkverbindung mit der Triebwerksgondel.
Die Wechselstromleitungen können auch als „Busbars“ bezeichnet werden und sind vorzugsweise auf der anderen Seite des Mantels der Triebwerksgondel wie das Leistungsmodul angeordnet. Dadurch wird die Strömung des Triebwerks nicht zusätzlich behindert.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Anordnung einen Zwischenkreiskondensator des Stromrichters auf, der derart an der Triebwerksgondel angeordnet ist, dass er an diese Wärme abgeben kann.
Vorzugsweise ist der Zwischenkreiskondensator auf der anderen Seite des Mantels der Triebwerksgondel wie das Leistungsmodul angeordnet und behindert so die Strömung des Triebwerks nicht wesentlich.
In einer weiteren Ausprägung ist der Stromrichter ein Inverter. Als Inverter wird ein Stromrichter bezeichnet, der aus einer Gleichspannung eine in der Frequenz und Amplitude veränderte Wechselspannung erzeugt. Aus einer Eingangsgleichspannung wird über einen Gleichspannungszwischenkreis und getaktete Halbleiterschalter eine Ausgangswechselspannung erzeugt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Triebwerk einen Propeller oder Turbinenschaufeln auf.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Leistungsmodul in seiner äußeren Form stromlinienförmig, insbesondere haifischflossenförmig, ausgebildet. Dies kann auch durch ein zusätzliches Gehäuse mit Öffnungen gebildet werden, durch das die Kühlrippen ragen.
Die Erfindung beansprucht auch ein Luftfahrzeug, insbesondere ein Flugzeug, mit einer erfindungsgemäßen Anordnung für einen elektrischen oder hybrid-elektrischen Antrieb.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
Figurenliste
Es zeigen:

1 eine Schnittsicht einer Anordnung in Antriebsströmungsrichtung,
2 eine Schnittansicht einer Anordnung von Leistungsmodulen quer zur Antriebsströmungsrichtung,
3 eine Schnittansicht einer Anordnung von Leistungsmodulen in Antriebsströmungsrichtung mit einem Propeller,
4 eine Schnittansicht einer Anordnung von Leistungsmodulen in Antriebsströmungsrichtung mit einer Turbinenschaufel,
5 eine Schnittansicht einer Anordnung von Leistungsmodulen in Antriebsströmungsrichtung mit einem Gehäuse für das Leistungsmodul,
6 ein Blockschaltbild eines Inverters mit einer Anordnung von Leistungsmodulen und
7 eine Ansicht eines Flugzeugs mit einem Inverter.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Anordnung von Leistungsmodulen 1 (zu sehen ist nur eines) eines Stromrichters, die außen an einer Triebwerksgondel 6 eines Luftfahrzeugs angeordnet sind. Die Antriebsströmungsrichtung S eines elektrischen Triebwerks mit dem Elektromotor 7 steht senkrecht auf die Zeichenebene.
Der Elektromotor 7 ist über die Wechselstromleitungen 3 mit den Leistungsmodulen 1 elektrisch verbunden. Ein auf der Innenseite der Triebwerksgondel 6 angeordneter Zwischenkreiskondensator 5 ist elektrisch mit Hilfe der Gleichstromleitungen 4 mit den Leistungsmodulen 1 verbunden. Durch die Anordnung der Leistungsmodule 1, werden diese von der Antriebsströmung umströmt und somit entwärmt.
Der Zwischenkreiskondensators 5, die Wechselstromleitungen 3 und die Gleichstromleitungen 4 werden durch ihre Anbindung an die Triebwerksgondel 6 entwärmt und behindern nicht die Luftströmung.
Das Leistungsmodul 1 besitzt in Antriebsströmungsrichtung S links und rechts Kühlrippen 2, die parallel zur Antriebsströmung ausgebildet sind. Das Leistungsmodul 1 ist zylinderförmig ausgebildet, bevorzugt stromlinienförmig, beispielsweise in Form einer Haifischflosse. Andere Formen, wie Kegelstümpfe sind auch möglich. Wichtig ist lediglich, dass die Kühlrippen 2 möglichst vollständig in der Antriebsströmung liegen.
2 zeigt eine weitere Schnittansicht der Anordnung nach 1, diesmal in einer Ansicht senkrecht zur Anatriebströmungsrichtung S. Das Leistungsmodul 1 eines Stromrichters ist außen an der Triebwerksgondel 6 eines Luftfahrzeugs angeordnet sind. Die Antriebsströmungsrichtung S eines elektrischen Triebwerks mit dem Elektromotor 7 liegt in der Zeichenebene.
Der Elektromotor 7 ist über die Wechselstromleitungen 3 mit den Leistungsmodulen 1 elektrisch verbunden. Ein auf der Innenseite der Triebwerksgondel 6 angeordneter Zwischenkreiskondensator 5 ist elektrisch mit Hilfe der Gleichstromleitungen 4 mit den Leistungsmodulen 1 verbunden. Durch die Anordnung der Leistungsmodule 1, werden diese von der Antriebsströmung umströmt und somit entwärmt.
Der Zwischenkreiskondensators 5, die Gleichstromleitungen 4 und die Wechselstromleitungen 3 werden durch die Triebwerksgondel 6 entwärmt.
Das Leistungsmodul 1 besitzt in Antriebsströmungsrichtung S links (nicht sichtbar) und rechts Kühlrippen 2, die parallel zur Antriebsströmung ausgebildet sind. Das Leistungsmodul 1 ist zylinderförmig ausgebildet, bevorzugt stromlinienförmig, beispielsweise in Form einer Haifischflosse. Andere Formen, wie Kegelstümpfe sind auch möglich. Wichtig ist lediglich, dass die Kühlrippen 2 möglichst vollständig in der Antriebsströmung liegen.
3 zeigt eine weitere Schnittansicht der Anordnung nach 1 und 2 mit drei Leistungsmodulen 1 eines Stromrichters, die über die Wechselstromleitungen 3 den Elektromotor 7 mit elektrischer Energie versorgen. Die Leistungsmodule 1 sitzen außen auf der Triebwerksgondel 6 und werden von der Antriebsströmung in Richtung S (senkrecht in die Zeichenebene hinein), die durch einen von dem Elektromotor 7 angetriebenen Propeller 8 gekühlt werden.
Die Wechselstromleitungen 3 werden ebenfalls von der Antriebsströmung entwärmt. Zum besseren Wärmetransport besitzen die Leistungsmodule 1 Kühlrippen 2, links und rechts in Bezug auf die Antriebsströmungsrichtung S.
4 zeigt eine Schnittansicht einer weiteren Anordnung ähnlich 3, wobei es sich aber um eine Triebwerksgondel 6 mit einem Doppelmantel handelt, in deren Inneren eine oder mehrere Turbinenschaufeln 9 rotieren, die eine Antriebsströmung in Richtung S, also senkrecht in die Zeichenebene hinein, erzeugt.
Die drei Leistungsmodule 1 sind innerhalb der Triebwerksgondel 6, der Zwischenkreiskondensator 5 zwischen den beiden Mänteln angeordnet, so dass diese Komponenten ebenso wie die Wechselstromleitungen 3 von der Antriebsströmung entwärmt werden. Die Turbinenschaufel 9 wird von dem Elektromotor 7 angetrieben. Die Leistungsmodule 1 besitzen Kühlrippen 1 zur besseren Entwärmung.
5 zeigt eine zu den 1 und 2 alternative Anordnung von Leistungsmodulen 1 auf einer Triebwerksgondel 6. Das Leistungsmodul 1 besitzt bei dieser Anordnung ein zusätzliches Gehäuse 1.1 als Schutz für die elektrischen Komponenten des Leistungsmoduls 1. In diesem Fall sind die Kühlrippen 1 an dem Gehäuse 1.1 des Leistungsmoduls 1 ausgebildet. Die restliche Anordnung entspricht der in 1.
Zur Vereinfachung werden die Treiber-/Steuerungsplatinen in den vorigen Figuren nicht dargestellt. Vorzugsweise wird die Treiberendstufe auch in das Leistungsmodul 1 integriert und ebenfalls über die Antriebsströmung gekühlt. Alternativ kann der Treiber/Steuerungsbestandteil des Stromrichters über Leiterplatten einseitig an die Wandung der Triebwerksgondel 6 angebunden sein.
6 zeigt ein Blockschaltbild eines Inverters 10, der drei Leistungsmodule 1, die entsprechend der vorigen Figuren in einer Antriebsströmung angeordnet sind, aufweist. Der Inverter 10 dient der elektrischen Energieversorgung eines nicht dargestellten Elektromotors und enthält zusätzliche Bauelemente eines Inverters, wie beispielsweise einen Zwischenkreiskondensator und eine Treiberschaltung. Die Leistungsmodule 1 weisen Leistungshalbleiterbauelemente 1.2 auf, die wesentlich für die Wärmeentwicklung der Leistungsmodule 1 verantwortlich sind.
7 ein Flugzeug 11, als Beispiel eines Luftfahrzeugs mit einem elektrischen oder hybrid-elektrischen Antrieb. Ein Inverter 10 gemäß 6 versorgt einen Elektromotor 7 mit elektrischer Energie. Der Elektromotor 7 treibt einen Propeller 8 an, der die Antriebsströmung zur Kühlung der Komponenten des Inverters 10 entsprechend der 3 erzeugt.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Leistungsmodul
1.1: Gehäuse
1.2: Leistungshalbleiterbauelement
2: Kühlrippe
3: Wechselstromleitung
4: Gleichstromleitung
5: Zwischenkreiskondensator
6: Triebwerksgondel
7: Elektromotor
8: Propeller
9: Turbinenschaufel
10: Inverter
11: Flugzeug
S: Antriebsströmungsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018216859 A1 [0003]

Claims

Anordnung zur Kühlung mindestens eines Leistungshalbleiterbauelemente (1.2) aufweisenden Leistungsmoduls (1) eines Stromrichters (10), dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsmodul (1) in der Antriebsströmung (S) eines Triebwerks derart angeordnet ist, dass Kühlrippen (2) des Leistungsmoduls (1) von der Antriebsströmung (S) umströmt werden.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsmodul (1) zylinderförmig oder kegelstumpfförmig ausgebildet ist und die Kühlrippen (2) parallel zur Antriebsströmung (S) ausgerichtet sind.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen (2) in Antriebsströmungsrichtung (S) links und rechts an dem Leistungsmodul (1) ausgebildete sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: - eine Triebwerksgondel (6), an deren Außenseite das Leistungsmodul (1) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch: - einen Elektromotor (7) mit dem Leistungsmodul (1) verbindende Wechselstromleitungen (3), die derart an der Triebwerksgondel (6) angeordnet sind, dass sie an diese Wärme abgeben können.
Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch: - einen Zwischenkreiskondensator (5) des Stromrichters (10), wobei der Zwischenkreiskondensator (5) derart an der Triebwerksgondel (6) angeordnet ist, dass er an diese Wärme abgeben kann.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: - ein Gehäuse (1.1) des Leistungsmoduls (1) mit Öffnungen, durch das die Kühlrippen (2) ragen.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter ein Inverter (10) ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: - einen die Antriebsströmung (S) erzeugenden Propeller (8) oder die Antriebsströmung (S) erzeugende Turbinenschaufeln (9) aufweist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsmodul (1) in seiner äußeren Form stromlinienförmig, insbesondere haifischflossenförmig, ausgebildet ist. i
Luftfahrzeug (11) mit einer Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche für einen elektrischen oder hybrid-elektrischen Antrieb.
Luftfahrzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftfahrzeug ein Flugzeug (11) ist.