DE102023113653A1 - Device for cooling electrical components and their connecting elements - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Thermokreislauf zum Temperieren von Elektrokomponenten und deren Verbindungselementen, umfassend mindestens eine erste Elektrokomponente und eine zweite Elektrokomponente, sowie eine oder mehrere die Elektrokomponenten verbindenden Stromleitern mit einem Temperierfluid.Das Temperierfluid ist ein Dielektrikum, welches in direktem Kontakt mit einer oder mehrerer stromführenden Komponenten der Elektrokomponenten und/oder in direktem Kontakt mit einem oder mehreren Stromleitern steht.Hierfür strömt das Temperierfluid innerhalb• einem die erste Elektrokomponente umgebenden ersten Gehäuses,• einem des oder die Stromleiter umgebenden zweiten Gehäuses und• einem die zweite Elektrokomponente umgebenden dritten Gehäuses sowie durch einen Wärmetauscher.Um die Elektrokomponenten und deren Stromleiter besonders effektiv und bauraumsparend zu temperieren, sind die Elektrokomponenten seriell vom Temperierfluid durchströmbar, wobei der Wärmetauscher stromabwärts der Elektrokomponenten angeordnet ist und das aus dem Wärmetauscher austretende Temperierfluid wieder der ersten Elektrokomponente zuführbar ist.The invention relates to a thermal circuit for controlling the temperature of electrical components and their connecting elements, comprising at least a first electrical component and a second electrical component, as well as one or more current conductors connecting the electrical components with a temperature control fluid. The temperature control fluid is a dielectric which is in direct contact with one or more current-carrying components of the electrical components and/or in direct contact with one or more current conductors. For this purpose, the temperature control fluid flows within • a first housing surrounding the first electrical component, • a second housing surrounding the current conductor(s) and • a third housing surrounding the second electrical component and through a heat exchanger. In order to control the temperature of the electrical components and their current conductors particularly effectively and in a space-saving manner, the temperature control fluid can flow through the electrical components in series, with the heat exchanger being arranged downstream of the electrical components and the temperature control fluid emerging from the heat exchanger being able to be fed back to the first electrical component.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Temperieren von Elektrokomponenten und deren Verbindungselementen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to a device for tempering electrical components and their connecting elements according to the preamble of claim 1.
Aus der
Aufgabe der Erfindung ist es, eine neuartige, bauraumsparende, besonders leistungsstarke Vorrichtung zum Temperieren von elektrischen Komponenten und deren Verbindungselementen zu schaffen.The object of the invention is to create a novel, space-saving, particularly powerful device for tempering electrical components and their connecting elements.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by a device according to claim 1.
Erfindungsgemäß temperiert der Thermokreislauf gemäß Anspruch 1 mindestens eine erste Elektrokomponente und eine zweite Elektrokomponente, sowie eine oder mehrere die Elektrokomponenten verbindenden Stromleitern mit einem Temperierfluid.According to the invention, the thermal circuit according to claim 1 tempers at least a first electrical component and a second electrical component, as well as one or more current conductors connecting the electrical components, with a temperature control fluid.
Das Temperierfluid ist ein Dielektrikum, welches in direktem Kontakt mit einer oder mehrerer stromführenden Komponenten der Elektrokomponenten und/oder in direktem Kontakt mit einem oder mehreren Stromleitern steht.The temperature control fluid is a dielectric which is in direct contact with one or more current-carrying components of the electrical components and/or in direct contact with one or more current conductors.
Hierfür strömt das Temperierfluid innerhalb
- • einem die erste Elektrokomponente umgebenden ersten Gehäuses,
- • einem des oder die Stromleiter umgebenden zweiten Gehäuses und
- • einem die zweite Elektrokomponente umgebenden dritten Gehäuses sowie durch einen Wärmetauscher.
- • a first housing surrounding the first electrical component,
- • a second housing surrounding the current conductor(s) and
- • a third housing surrounding the second electrical component and a heat exchanger.
Die Elektrokomponenten sind seriell vom Temperierfluid durchströmbar, wobei der Wärmetauscher stromabwärts der Elektrokomponenten angeordnet ist und das aus dem Wärmetauscher austretende Temperierfluid wieder der ersten Elektrokomponente zuführbar ist.The temperature control fluid can flow through the electrical components in series, whereby the heat exchanger is arranged downstream of the electrical components and the temperature control fluid emerging from the heat exchanger can be fed back to the first electrical component.
Durch diese erfindungsgemäse Gestaltungsform, kann das Temperierfluid besonders Bauraum sparend von einer Elektrokomponenten zur nächsten Elektrokomponenten transportiert werden, wodurch zusätzliche Leitungen zwischen den Komponenten entfallen.Through this design according to the invention, the temperature control fluid can be transported from one electrical component to the next electrical component in a particularly space-saving manner, thereby eliminating the need for additional lines between the components.
Von Vorteil ist, dassaußerdem die die Elektrokomponenten verbindenden Stromleitungen direkt durch das Temperierfluid temperiert werden. Dabei wird das Temperierfluid in direktem Kontakt mit den stromführenden Komponenten gebracht, wodurch es ohne zusätzliche thermische Widerstände die stromführende Komponente temperierten kann.The advantage is that the power lines connecting the electrical components are also tempered directly by the temperature control fluid. The temperature control fluid is brought into direct contact with the current-carrying components, whereby it can temper the current-carrying components without additional thermal resistance.
Besonders vorteilhaft hierbei ist außerdem, dass das Temperierfluid elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist, wodurch eine zusätzliche elektrische Isolierung der Stromleiter entfallen kann.What is also particularly advantageous here is that the temperature control fluid has electrically insulating properties, which means that additional electrical insulation of the current conductors can be omitted.
Sowohl das jeweilige die Elektrokomponenten umgebende Gehäuse als auch das die jeweiligen Stromleiter umgebende Gehäuse haben die Funktion, die Komponenten zu schützen; außerdem haben die Gehäuse die Funktion, die Strömung des Temperierfluids zu führen. Hierbei können die Gehäuse auf der Innenseite außerdem Strukturen aufweisen, welche die Strömung des Temperierfluids lokal beeinflussen. Hierbei kann durch eine Strömungsquerschnittsverengung beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit erhöht werden, oder durch eine Vergrößerung des Strömungsquerschnitts die Strömungsgeschwindigkeit reduziert werden. Dies ermöglicht es die Temperierleistung des Temperierfluids lokal zu beeinflussen. Die stromführenden Komponenten der Elektrokomponenten können außerdem Elemente zur Oberflächenvergrößerung aufweisen, wodurch eine verbesserte Temperierung erzielbar ist.Both the respective housing surrounding the electrical components and the housing surrounding the respective power conductors have the function of protecting the components; In addition, the housings have the function of guiding the flow of the temperature control fluid. The housings can also have structures on the inside that locally influence the flow of the temperature control fluid. Here, for example, the flow velocity can be increased by narrowing the flow cross section, or the flow velocity can be reduced by increasing the flow cross section. This makes it possible to locally influence the temperature control performance of the temperature control fluid. The current-carrying components of the electrical components can also have elements for increasing the surface area, whereby improved temperature control can be achieved.
Der Wärmetauscher kann in einem Ausführungsbeispiel die Wärme des Temperierfluid an ein zweites flüssiges und/oder gasförmiges Fluid, welches ebenfalls den Wärmetauscher umströmt abgeben. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Wärmetauscher die Wärme auch durch Wärmeleitung an feste, beispielsweise metallische Komponenten abgeben.In one embodiment, the heat exchanger can transfer the heat of the tempering fluid to a second liquid and/or gaseous fluid, which also flows around the heat exchanger. In another embodiment, the heat exchanger can also transfer the heat to solid, for example metallic components, by heat conduction.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Thermokreislauf zu der ersten Elektrokomponente und der zweiten Elektrokomponente weitere Elektrokomponenten beinhalten. Besonders vorteilhafterweise werden alle beinhalteten Elektrokomponenten durch Stromleiter miteinander verbunden, und seriell mit dem Temperierfluid durchströmt. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Elektrokomponenten in einer Reihenfolge durchströmt werden, in welcher die Elektrokomponente mit der niedrigsten Temperatur von dem Temperierfluid, welches aus dem Wärmetauscher austritt durchströmt und anschließend die Elektrokomponente, welche sich auf einem höheren Temperaturniveau befindet, durchströmt wird. Mit anderen Worten ist es besonders vorteilhaft, wenn das Temperierfluid die Elektrokomponenten in einer Reihenfolge mit steigendem Temperaturniveau der Elektrokomponenten durchströmt.In a further embodiment, the thermal circuit can contain further electrical components in addition to the first electrical component and the second electrical component. Particularly advantageously, all electrical components included are connected to one another by power conductors and the temperature control fluid flows through them in series. It is advantageous if the electrical components are flowed through in a sequence in which the electrical component with the lowest temperature is exposed to the temperature control fluid, which comes from the heat Exchanger exit flows through and then flows through the electrical component, which is at a higher temperature level. In other words, it is particularly advantageous if the temperature control fluid flows through the electrical components in a sequence with increasing temperature levels of the electrical components.
In einer Ausführungsform beinhaltet der Thermokreislauf mindestens zwei der folgenden Komponenten:
- • Elektrische Maschine
- • Pulswechselrichter
- • Elektrischer Generator
- • AC-DC Wandler
- • DC-AC Wandler
- • DC-DC Steller.
- • Electric machine
- • Pulse inverter
- • Electric generator
- • AC-DC converter
- • DC-AC converter
- • DC-DC controller.
Diese Komponenten dienen der elektrischen und/oder elektromechanischen Energiewandlung. Hierbei kann sowohl die elektrische Energiewandlung von beispielsweise Gleichstrom in Wechselstrom, als auch die Energiewandlung von elektrischer Energie, in kinematische Energie, oder der Wandlung von kinematischer Energie in elektrische Energie und/oder das Stellen eines anderen Spannungsniveaus verstanden werden.These components are used for electrical and/or electromechanical energy conversion. This can mean both the electrical energy conversion of, for example, direct current into alternating current, as well as the energy conversion of electrical energy into kinematic energy, or the conversion of kinematic energy into electrical energy and/or the setting of a different voltage level.
Besonders vorteilhaft hierbei ist es, dass der Thermokreislauf die Komponenten zur Energiewandlung direkt kühlt, wodurch thermische Hotspots vermieden werden. Durch diesen Thermokreislauf, können vor allem stationäre Anlagen zur Energiewandlung wie beispielsweise eine Windkraftanlage besonders effizient gekühlt werden. Dies erhöht sowohl die Dauerleistungsfähigkeit als auch die Effizienz dieser Anlagen, wodurch die Robustheit gesteigert wird.What is particularly advantageous here is that the thermal circuit directly cools the energy conversion components, thereby avoiding thermal hotspots. This thermal circuit enables stationary energy conversion systems, such as wind turbines, to be cooled particularly efficiently. This increases both the continuous performance and the efficiency of these systems, thereby increasing their robustness.
In einem Ausführungsbeispiel sind die Stromleiter aus Kupfer, wodurch diese besonders vorteilhafte elektrische und thermische Eigenschaften aufweisen. Hierdurch können sehr hohe Energiedichten durch die Stromleiter transportiert werden.In one exemplary embodiment, the current conductors are made of copper, which means they have particularly advantageous electrical and thermal properties. This allows very high energy densities to be transported through the current conductors.
In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet der Thermokreislauf eine Pumpe, welche strömungswirksam mit den Elektrokomponenten verbindbar ist. Diese Pumpe kann regelbar ausgeführt werden, wodurch der Fluidvolumenstrom in Abhängigkeit einer gewünschten Temperierleistung einstellbar ist. Die Pumpe kann vorzugsweise als Kreiselpumpe oder als Schraubenspindelpumpe ausgeführt werden.In a further embodiment, the thermal circuit contains a pump which can be connected to the electrical components in a flow-effective manner. This pump can be designed to be controllable, whereby the fluid volume flow can be adjusted depending on the desired temperature control performance. The pump can preferably be designed as a centrifugal pump or as a screw spindle pump.
In einer Ausführungsform kann der Thermokreislauf in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug eingesetzt werden. Das elektrisch angetriebene Kraftfahrzeug kann sowohl ein rein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug als auch ein hybridelektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug sein. In diesem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug können die Elektrokomponenten vorzugsweise eine elektrische Maschine sowie ein Pulswechselrichter sein. Wobei der Pulswechselrichter den von der Hochvoltbatterie bereitgestellten Gleichstrom in einen von der elektrischen Maschine benötigten Wechselstrom wandelt.In one embodiment, the thermal circuit can be used in an electrically powered motor vehicle. The electrically powered motor vehicle can be either a purely electrically powered motor vehicle or a hybrid-electrically powered motor vehicle. In this electrically powered motor vehicle, the electrical components can preferably be an electrical machine and a pulse inverter. The pulse inverter converts the direct current provided by the high-voltage battery into an alternating current required by the electrical machine.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Thermokreislauf in einem Generatorsystem, welches zur Energieerzeugung dient, eingesetzt werden. Das Generatorsystem kann hierbei beispielsweise ein Windkraftwerk oder eine Turbine sein. Besonders vorteilhaft hierbei ist die sehr leistungsstarke Kühlung des Thermokreislaufs, welche eine hohe Dauerleistung des Generatorsystems ermöglicht. In diesem Fall können die Elektrokomponenten beispielsweise ein elektrischer Generator, ein AC-DC Wandler, ein DC-DC Steller und ein DC-AC Wandler sein.In a further embodiment, the thermal circuit can be used in a generator system that is used to generate energy. The generator system can be, for example, a wind power plant or a turbine. The very powerful cooling of the thermal circuit is particularly advantageous here, which enables a high continuous output of the generator system. In this case, the electrical components can be, for example, an electrical generator, an AC-DC converter, a DC-DC controller and a DC-AC converter.
Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, anhand der Figuren näher erläutert.Further embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the figures, without being limited thereto.
Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Thermokreislaufs -
2 eine weitere schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Thermokreislauf -
3 eine schematische Darstellung eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs -
4 eine schematische Darstellung eines Generatorsystems
-
1 a schematic representation of a thermal circuit according to the invention -
2 a further schematic representation of a thermal circuit according to the invention -
3 a schematic representation of an electrically powered motor vehicle -
4 a schematic representation of a generator system
Bezugszeichenliste:List of reference symbols:
- 1.1.
- ThermokreislaufThermal circuit
- 2.2.
- erste Elektrokomponentefirst electrical component
- 3.3.
- zweite Elektrokomponentesecond electrical component
- 4.4.
- StromleiterConductor
- 5.5.
- TemperierfluidTempering fluid
- 6.6.
- stromführende Komponentecurrent-carrying component
- 7.7.
- erstes Gehäusefirst housing
- 8.8th.
- zweites Gehäusesecond housing
- 9.9.
- drittes Gehäusethird housing
- 10.10.
- WärmetauscherHeat exchanger
- 11.11.
- ElektrokomponenteElectrical component
- 12.12.
- ElektrokomponenteElectrical component
- 13.13.
- Pumpepump
- 14.14.
- Kraftfahrzeugmotor vehicle
- 15.15.
- GeneratorsystemGenerator system
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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