DE19603488A1 - Kühlung für ein elektrisches Leistungsbauteil - Google Patents

Kühlung für ein elektrisches Leistungsbauteil

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Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlung für ein elektrisches Leistungsbauteil mit einem Kühlmittelkreislauf, einem Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf, einem Kühlmittelvorlauf und einer Rückkühleinrichtung sowie ein Verfahren zur Kühlung eines elektrischen Leistungsbauteils, wobei ein Kühlmittel in einem Kühlkreislauf umläuft, das Kühlmittel das zu kühlende Bauteil durchströmt und das Kühlmittel eine bestimmte Vorlauftemperatur aufweist, die durch mindestens eine Rückkühleinrichtung eingestellt wird.
Bei der Entwicklung neuartiger elektrischer Antriebe, beispielsweise dem dieselelektrischen Antrieb von Nutzfahrzeugen, strebt man eine möglichst kompakte Bauweise der elektrischen Bauteile an. So soll für das oben gegebene Beispiel im Idealfall der Antriebsmotor des Einzelradantriebes samt der zugehörigen Leistungselektronik in der Radnabe bzw. radnah also im Radkasten angeordnet sein (s. z. B. Wüst, R. Müller, A. Lange, "Ein elektrischer Einzelradantrieb für City-Busse der Zukunft" in "Der Nahverkehr" 6/94, Alba-Fachverlag, Düsseldorf).
Die hohe Integrationsdichte der Leistungselektronik bedingt eine Flüssigkeitskühlung der Radmotoren. Um die in den elektrischen Bauteile der Leistungselektronik eingesetzten IGBT′s und Elektrolytkondensatoren bestmöglich ausnutzen zu können, ist eine Kühlmittelvorlauftemperatur von ungefähr 45°C erforderlich.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kühlung und ein Verfahren zur Kühlung eines elektrischen Leistungsbauteils zur Verfügung zu stellen, das sich durch eine kompakte Bauweise auszeichnet. Insbesondere soll die Kühlung bzw. das Verfahren zur Kühlung die Möglichkeit eröffnen, den Kühlkreislauf der Elektronik mit einem weiteren Kühlkreislauf koppeln zu können. Beim Einsatz in Nutzfahrzeugen, wie oben beispielhaft ausgeführt, ist es besonders wünschenswert, wenn der Kühlkreislauf der Leistungselektronik mit dem Kühlkreislauf des Dieselmotors, der eine Kühlmittelvorlauftemperatur von mehr als 70°C aufweist, gekoppelt werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruches 1 bzw. 11 gelöst.
Eine Steigerung der Rückkühlleistung wird erreicht, wenn sowohl ein Peltier-Element als auch ein weiteres Rückkühlelement, beispielsweise in Form eines Flüssigkeits-Luft-Wärmetauschers, vorgesehen ist.
Das Peltier-Element, das unter Nutzung des Peltier-Effektes, bei dem Elektronen aus einem Material mit hoher Elektronenkonzentration in ein benachbartes Material mit einer niedrigen fließt, wobei sich das Elektronengas entspannt und bei adiabatischer Führung zu einer Temperaturabsenkung führt (s.a. Lexikon Elektronik + Mikroelektronik, S. 603, VDI-Verlag, Düsseldorf, 1990), kann entweder so geschaltet sein, daß die dem Kühlkreislauf hierdurch entzogene Wärme direkt in die Umgebungsluft abgegeben wird oder aber an einen weiteren Kühlkreislauf, nämlich dem Dieselmotor-Kühlkreislauf. Hier bietet sich die Abgabe der entzogenen Wärme aus dem Kühlmittelkreislauf für die Leistungselektronik an den Kühlkreislauf des Dieselmotors in einer besonders bevorzugten und kompakten Ausführungsform an.
Die Kühlung eines elektrischen Leistungsbauelementes im Bereich der elektrischen Antriebstechnik bezieht sich vorzugsweise auf die Kühlung der für die Ansteuerung der Radnabenmotoren notwendigen Wechselrichter sowie den Wechselrichter für den Generator.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß die als Transversalflußmaschinen ausgebildeten Radnabenmotoren mit einer integrierten Leistungselektronik versehen sind und das gesamte integrierte Bauteil aus Radnabenmotor und Wechselrichter gemeinsam gekühlt wird.
Besonders bevorzugt wird die Speisung des Peltier-Elementes aus dem 24- Volt-Kreis des Fahrzeuges, in dem das Bauteil Verwendung findet.
Alternativ hierzu ist es aber auch möglich, daß das Peltier-Element aus dem Zwischenkreis des elektrischen Antriebsstranges gespeist wird.
Beim Verfahren zur Kühlung eines Bauteiles der elektrischen Antriebstechnik ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Rückkühleinrichtung ein Peltier-Ele­ ment ist. In einer bevorzugten Ausführungsform wird durch das Peltier-Ele­ ment die Kühlmittelvorlauftemperatur derart eingestellt, daß sie maximal 45°C beträgt. In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die dem Kühlmittelkreislauf durch das Peltierelement entzogene Wärme an die Umgebung abgegeben. Es kann aber auch vorgesehen sein, daß diese an einen weiteren Kühlkreislauf abgegeben wird. Bevorzugt handelt es sich dabei um den Kühlkreislauf eines Dieselmotors, wobei die Wärmeabgabe an diesen Kreislauf derart erfolgt, daß die Kühlmitteltemperatur hierin < 70°C beträgt.
In einer Fortbildung des Verfahrens kann vorgesehen sein, daß bei Überschreiten einer bestimmten Umgebungstemperatur
z. B. T∞ + ΔT TVorlauf,
wobei ΔT die Mindesttemperaturdifferenz entsprechend der Kühlergröße ist, die Kühlung ausschließlich durch das Peltier-Element erfolgt.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den Zeichnungen näher beschrieben werden.
Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlung mit einem Peltier-Element;
Fig. 2 die Kühlung gemäß Fig. 1 mit einem zusätzlich in den Kühlkreislauf eingebrachten Wärmetauscher;
Fig. 3 einen Kühlkreislauf für das Leistungselektronikbauelement, der über ein Peltier-Element mit dem Kühlkreislauf eines Dieselmotors gekoppelt ist.
Fig. 4 einen einzigen Kühlkreislauf für das Leistungselektronikbauelement und den Dieselmotor.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung zur Kühlung eines elektrischen Leistungsbauteiles 1. Das Leistungsbauteil kann beispielsweise ein Wechselrichter zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine sein, wie er in der elektrischen Antriebstechnik weit verbreitet Verwendung findet (s.a. Dubbel "Taschenbuch für den Maschinenbau", S. V 31 bis V 38, 1995, Berlin, Heidelberg, New York). Es ist aber auch möglich, daß das zu kühlende elektrische Leistungsbauteil eine Transversalflußmaschine (TFM-Maschine) ist, die entweder als Antriebsmaschine oder als Generator betrieben werden kann und eine integrierte Leistungselektronik zu ihrer Ansteuerung aufweist. Solche Einrichtungen sind als Kompaktantriebe oder Kompaktgeneratoren aus der DE-A-44 18 271.6 bekanntgeworden. Das elektrische Leistungsbauteil 1 ist mit einer Kühlungseinrichtung 2 versehen, die in vorliegendem speziellen Fall ohne Beschränkung hierauf als Kühlschlange ausgebildet ist, die an einen Kühlmittelkreislauf 3 über Leitungen angeschlossen ist. Selbstverständlich sind alle auf dem Gebiet der Erfindung dem Fachmann geläufigen Kühleinrichtungen, wie z. B. die im Bereich des Fahrzeugbaues und der Leistungselektronik bekannten Flüssigkeitskühler etc. (siehe z. B. Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, Berlin, Heidelberg, 1995) mitumfaßt. Durch die Leitungen fließt Kühlmittel mit einer Kühlmittelvorlauftemperatur TV am Kühlmitteleinlaß 4 in die Kühleinrichtung 2 des Leistungsbauteils ein.
Durch die von den elektronischen Leistungsbauteilen während des Betriebes erzeugte Wärme wird das Kühlmittel in der Kühleinrichtung 2 auf eine Kühlmittelauslaßtemperatur TA gebracht, wenn das Kühlmittel die Kühleinrichtung am Kühlmittelauslaß 5 verläßt. Stets gilt für das Kühlmittel, daß TA < TV ist. Das Kühlmittel wird durch eine Pumpe 6 umgewälzt und erneut zur Kühlung des elektrischen Leistungsbauteils 1 verwendet. Hierzu muß das auf die Temperatur TA erwärmte Kühlmittel auf die Kühlmittelvorlauftemperatur TV abgekühlt werden. Für Elektronikleistungsbauteile, wie beispielsweise einen Wechselrichter, der eine Vielzahl von Elektrolytkondensatoren und IGBTs umfaßt, beträgt diese höchstens 45°C. Erfindungsgemäß geschieht dies mit Hilfe eines in den Kühlkreislauf nach dem Kühlmittelauslaß 5 und vor dem Kühlmitteleinlaß 4 angeordneten Peltier-Elementes 10.
Peltier-Elemente 10 sind hinlänglich aus der Literatur bekannt (siehe hierzu bspw. VDI-Lexikon "Elektronik und Mikroelektronik", S. 603, Düsseldorf 1990). Peltier-Elemente sind Bauelemente, die unter Nutzung des Peltier-Effektes über einen elektrischen Stromschluß direkt eine Temperaturabsenkung erzeugen können. Hierbei fließen Elektronen aus einem Material mit hoher Elektronenkonzentration in ein benachbartes Material mit einer niedrigen Elektronenkonzentration. Dabei entspannt sich das Elektronengas. Bei einer adiabatischen Führung führt das zu der erwünschten Temperaturabsenkung. Auf diese Art und Weise kann erreicht werden, daß die Kühlmitteltemperatur durch Entzug von Wärme auf die Temperatur TK, die vorzugsweise der Kühlmittelvorlauftemperatur TV entspricht, von der höheren Temperatur TA abgesenkt wird, wobei sich auf der nicht im Kühlmittelkreislauf befindlichen Seite des Peltier-Elementes die Temperatur auf TU erhöht und die Wärme dort in vorliegendem Fall an die Umgebungsluft abgeführt wird.
In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 wird in den Kühlmittelkreislauf gemäß Fig. 1 zur Kühlung eines elektronischen Leistungsbauteils 1 zwischen dem Peltier-Element 10 und dem Kühlmitteleinlaß in die Kühleinrichtung für das elektronische Bauteil eine zusätzliche Rückkühlvorrichtung in Form eines Flüssigkeits-Luft-Wärmetauschers 20 eingebracht. Selbstverständlich kann die Anordnung auch umgekehrt gewählt werden, d. h., daß der Wärmetauscher 20 vor dem Peltier-Element 10 sitzt. Die Kühlanordnung gemäß Fig. 2 kann in unterschiedlicher Art und Weise betrieben werden. So ist es möglich, die Anlage alleine mit Kühlung durch den konventionellen Wärmetauscher 20 zu betrieben. Unter bestimmten Betriebsbedingungen kann das Peltier-Element 10 zugeschaltet werden. Ab einer bestimmten Temperatur ist es möglich, daß die Kühlung ausschließlich durch das Peltier-Element erfolgt. Selbstverständlich ist auch das Umgekehrte möglich, d. h. alleinige Kühlung durch das Peltier-Element, Zuschaltung des Wärmetauschers und bei bestimmten Betriebsbedingungen Betrieb alleine mit dem Wärmetauscher. Als Kühlmittel für die flüssigkeitsgekühlte Baugruppe in den Fig. 1 und 2 wird vorzugsweise ein Wasser-Glykol-Gemisch oder Kühlöl verwendet.
Fig. 3 zeigt die Ankopplung des Kühlkreislaufes für die flüssigkeitsgekühlte elektrische Baugruppe 1 an den Kühlkreislauf eines Dieselmotors 30 über ein Peltier-Element 10. Dabei sind beide Kühlkreisläufe voneinander getrennt ausgeführt.
Das Peltier-Element 10 ist zwischen die Kühlkreisläufe für das flüssigkeitsgekühlte elektrische Leistungsbauelemente und den Kühlkreislauf des Dieselmotors 31 geschaltet. Die Kühlmitteltemperatur im Kühlkreislauf für den Dieselmotor ist vorzugsweise < 70°C, wohingegen die Kühlmittelvorlauftemperatur für das flüssigkeitsgekühlte elektrische Leistungsbauteil 1 maximal bei ungefähr 45°C liegen darf. Somit wird die wärmeentziehende Seite des Peltier-Elementes in den Kühlmittelkreislauf für das elektrische Leistungsbauelement 1 geschaltet. Durch das so geschaltete Peltier-Element wird dem Kühlmittelkreislauf für das flüssigkeitsgekühlte elektrische Leistungsbauelement Wärme entzogen, d. h. das Kühlmittel abgekühlt, vorzugsweise bis auf die Kühlmittelvorlauftemperatur TV E, während dem Kühlmittelkreislauf für den Dieselmotor diese Wärmemenge zugeführt wird, so daß an der anderen Seite des Peltier-Elementes eine höhere Temperatur TK V vorliegt. Die Wärmeabgabe in den Kühlmittelkreislauf für den Dieselmotor aus dem Kühlmittelkreislauf für das flüssigkeitsgekühlte elektrische Leistungsbauelement über das Peltier-Element stellt kein Problem dar, da hier - wie zuvor schon erwähnt - mit Temperaturen < 70°C gearbeitet wird und ist bei kaltem Motor sogar höchst erwünscht.
Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, bei der ein gemeinsamer Kühlmittelkreislauf sowohl für den Dieselmotor als auch für das flüssigkeitsgekühlte elektrische Leistungsbauelement 1 verwendet wird. Eine solche Anordnung ist durch geschickte Anordnung des Peltier-Elementes und die eines zusätzlichen Wärmetauschers 20 möglich. Sie funktioniert wie folgt:
Am Kühlmittelauslaß 5 des elektrischen Leistungsbauelementes besitzt das Kühlmittel eine Temperatur TA E, beispielsweise von 60°C. Diese Temperatur wäre als Kühlmittelvorlauftemperatur für den Dieselmotor nicht geeignet, weil hier eine Mindesttemperatur von 73°C gefordert wird. Nun kann aber durch die erfindungsgemäße Anordnung des Peltier-Elementes Wärme aus dem Kühlmittelabschnitt, der eingangsseitig des flüssigkeitsgekühlten elektrischen Leistungsbauelementes 1 liegt, abgezogen und dem Kühlmittelabschnitt der ausgangsseitig des flüssigkeitsgekühlten elektrischen Leistungsbauelementes liegt, zugeführt werden. Dadurch wird die Temperatur TA E um eine Temperatur δT auf die Temperatur TK V erhöht, beispielsweise im vorliegenden Fall von 60 auf 80°C, so daß am Kühlmitteleinlaß für den Kühlkreislauf des Dieselmotors 30 die geforderte Temperatur Tmin V von ungefähr 73°C vorliegt. Selbstverständlich wird durch die Kühlung des Dieselmotors das Kühlmittel weiter aufgewärmt, beispielsweise auf eine Temperatur von 95°C am Kühlmittelauslaß 32 des Dieselmotors. Das auf beispielsweise 95°C erwärmte Kühlmittel des Dieselmotors wird durch das Peltier-Element 10 um eine Temperaturdifferenz δT, die in der Regel der Temperaturdifferenz, um die die Temperatur des Kühlmittels im unteren Kühlmittelabschnitt erhöht wird, entspricht, abgekühlt. Das wäre im vorliegenden Fall eine Abkühlung um δT von 15°C auf die Temperatur TK E von 80°C. Diese Temperatur ist als Kühlmittelvorlauftemperatur für das flüssigkeitsgekühlte elektrische Leistungsbauteil zu hoch. Daher ist es bei einer gemeinsamen Führung des Kühlmittelkreislaufes notwendig dem Peltier-Element einen konventionellen Wärmetauscher 20 nachzuschalten, der für eine weitere Temperaturabsenkung sorgt, beispielsweise von 80°C auf die geforderten 43°C am Kühlmitteleinlaß des flüssigkeitsgekühlten elektrischen Leistungsbauteils, so daß Tmax E = 43°C erreicht wird.
Mit der vorliegenden Erfindung wird erstmals eine kompakte Anordnung zur Verfügung gestellt, die es ermöglicht, die geforderte niedrige Kühlmittelvorlauftemperatur für ein elektrisches Leistungsbauelement am Kühlmitteleinlaß zur Verfügung zu stellen. Insbesondere ist es möglich, den Kühlmittelkreislauf für das kompakte elektrische Leistungsbauteil mit einem weiteren - beispielsweise dem eines Verbrennungsmotores - zu koppeln.

Claims (19)

1. Kühlung für ein elektrisches Leistungsbauteil (1) mit einem Kühlmittelkreislauf, einem Kühlmedium im Kühlmittelkreislauf, einem Kühlmittelvorlauf und einer Rückkühleinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkühleinrichtung ein Peltier-Element (10) ist.
2. Kühlung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung eine Umwälzpumpe (6) für das Kühlmittel aufweist.
3. Kühlung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Rückkühleinrichtung vorgesehen ist.
4. Kühlung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Rückkühleinrichtung ein Flüssigkeits-Luft-Wärmetauscher (20) ist.
5. Kühlung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Peltier-Element (10) derart angeordnet ist, daß eine bestimmte Wärmemenge des Kühlmittelkreislaufes (3) an die Umgebungsluft abgeführt wird.
6. Kühlung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Peltier-Element (10) derart angeordnet ist, daß eine bestimmte Wärmemenge des Kühlmittelkreislaufes (3) an einen weiteren Kühlmittelkreislauf abgegeben wird.
7. Kühlung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Kühlmittelkreislauf der Kühlmittelkreislauf eines Dieselmotores (30) ist.
8. Kühlung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Leistungsbauteil ein Kompaktbauteil der Leistungselektronik ist.
9. Kühlung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Leistungsbauteil eine Transversalflußmaschine mit integriertem Leistungselektronikteil ist.
10. Kühlung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Peltier-Element (10) aus dem 24 V-Kreis eines Fahrzeuges, in dem das Bauteil Verwendung findet, gespeist wird.
11. Kühlung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Peltier-Element (10) aus dem Zwischenkreis des elektrischen Antriebsstranges des Fahrzeuges, in dem das Bauteil Verwendung findet, gespeist wird.
12. Verfahren zur Kühlung eines Bauteils der elektrischen Antriebstechnik, wobei ein Kühlmittel in einem Kühlkreislauf umläuft, das Kühlmittel das zu kühlende elektrische Leistungsbauteil (1) durchströmt, wobei das Kühlmittel eine bestimmte Vorlauftemperatur aufweist, die durch mindestens eine Rückkühleinrichtung eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Rückkühleinrichtung ein Peltier-Element (10) ist.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorlauftemperatur des Kühlmittels maximal ungefähr 43°C beträgt.
14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Peltier-Element (10) die abzuführende Wärmemenge an die Umgebungsluft abgibt.
15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Peltier-Element (10) die abzuführende Wärmemenge an einen weiteren Kühlmittelkreislauf abgibt.
16. Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmitteltemperatur des weiteren Kühlkreislaufes mindestens ungefähr 73°C beträgt.
17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel in einer weiteren Rückkühleinrichtung abgekühlt wird.
18. Verfahren gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Peltier-Element (10) der weiteren Kühleinrichtung bei Bedarf zugeschaltet wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten einer bestimmten Umgebungstemperatur, z. B. T∞ + ΔT TVorlauf, die Kühlung ausschließlich über das Peltier-Element (10) erfolgt.
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