DE19960841A1 - Stromrichtergerät mit einer Zweiphasen-Wärmetransportvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Stromrichtergerät mit verlustwärmeproduzierenden Bauelementen (16) und Leistungsmodulen (12), die miteinander elektrisch leitend verbunden und voneinander räumlich getrennt angeordnet sind, wobei die Leistungsmodule (12) mit einer Zweiphasen-Wärmetransportvorrichtung wärmeleitend verbunden sind. Erfindungsgemäß ist diese Zweiphasen-Wärmetransportvorrichtung eine Loop Heat Pipe, die wenigstens einen Verdampfer (2) und einen Verflüssiger (4) aufweist, die mittels Verbindungsleitungen (6, 8) miteinander verbunden sind, wobei der Verdampfer (2) wärmeleitend mit den Leistungsmodulen (12) verbunden ist. Somit erhält man ein Stromrichtergerät, dessen Bauvolumen weiter reduziert werden kann bei gleichzeitiger Erhöhung der Abführung von Verlustwärme.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Stromrichtergerät mit ver­ lustwärmeproduzierenden Bauelementen und Leistungsmodulen, die miteinander elektrisch leitend verbunden und voneinander räumlich getrennt angeordnet sind, wobei die Leistungsmodule mit einer Zweiphasen-Wärmetransportvorrichtung wärmeleitend verbunden sind.

Aus der EP 0 771 138 B1 ist eine Kühlungsvorrichtung für eine elektrische Baugruppe in einer fahrbaren Struktur bekannt. Diese bekannte Kühlungsvorrichtung für elektrische Baugruppen umfaßt zu einer Schleife geschlossene Heat Pipes bzw. im we­ sentlichen U-förmige Heat Pipes. Jede Heat Pipe ist mit sei­ nem Heizabschnitt wärmeleitend mit einem wärmeabsorbierenden Block verbunden. Dieser wärmeabsorbierende Block kann auch den Heizabschnitt jeder Heat Pipe bilden, wodurch jeweils ein Wärmeübergang zwischen Heizabschnitt und wärmeabsorbierenden Block entfällt. Dieser wärmeabsorbierende Block ist so an einer Seitenwand des Gehäuses montiert, daß die elektrischen Baugruppen der Innenseite des Gehäuses zugewandt sind, und einen Teil der Seitenwand dieses Gehäuses bildet. Dadurch, daß der Heizabschnitt jeder Heat Pipe nicht in das Gehäuse hineinragt, wird die Raumausnutzung des Gehäuses derart ver­ bessert, daß es möglich ist, mehr Baugruppen in dem Gehäuse zu installieren oder die Größe des Gehäuses zu verringern. Der wärmeabstrahlende Abschnitt jeder Heat Pipe ist mit einer größeren Anzahl von plattenförmigen Kühlrippen versehen. Zum Schutz dieser Kühlrippen ist eine zylindrische Abdeckung der­ art montiert, daß sich diese Abdeckung längs eines durch die Fahrt des Zuges erzeugten Luftstroms erstreckt. Stützplatten zur Abstützung der Heat Pipes zum Zwecke der Verstärkung sind auf der Innenseite der Abdeckungen montiert. Diese Stützplat­ ten dienen auch als wärmeabstrahlende Platten. Da der wärmeabsorbierende Block einen Teil der Seitenwand des Gehäuses bildet, werden nicht nur die auf diesen Block montierten Bau­ gruppen gekühlt, sondern auch die von weiteren Baugruppen im Gehäuse erzeugte Wärme abgeführt. Bei den zu kühlenden elek­ trischen Baugruppen handelt es sich um Halbleitermodule. Im Inneren dieses Gehäuses sind noch weitere Baugruppen angeord­ net. Bei diesen weiteren Baugruppen handelt es sich um Be­ schaltungs-Bauelemente und um Ansteuereinrichtungen der Halb­ leitermodule. Als Beschaltungs-Bauelemente sind Snubber-Kon­ densatoren und Snubber-Widerstände genannt. Somit bildet das bestückte Gehäuse ein Stromrichtergerät, insbesondere ein Stromrichtermodul.

Die Heat Pipe besteht in der Regel aus einem Rohr, einem so­ genannten Druckgefäß, an dessen inneren Mantelfläche sich ei­ ne Kapillarstruktur befindet. Gefüllt ist dieses Druckgefäß mit einem flüssigen Kältemittel, das für den Energietransport sorgt. Dieses flüssige Kältemittel ist im Sättigungszustand, der in der Regel durch Evakuieren auf ein geringes Tempera­ turniveau abgesenkt ist. Durch Wärmezufuhr an einem Ende der Heat Pipe geht das flüssige Kältemittel direkt in die Dampf­ phase über und nimmt dabei eine große stoffabhängige Wärme­ menge, die Verdampfungsenthalpie, auf. Das genannte Druckge­ fäß ist dabei isoterm. Durch Abfuhr der Wärme an einem ande­ ren Ende der Heat Pipe findet ein Übergang von der Dampf in die Flüssigphase statt, d. h. es wird die Kondensationsenthal­ pie abgegeben. Es stellt sich ein Gleichgewicht von zu- und abgeführter Wärme ein. Die Kapillarstruktur des Rohrmantels sorgt dafür, daß die flüssige Phase zum Verdampfungsort zu­ rückströmt.

Mit zunehmender Wärmemenge steigt der Dampfanteil innerhalb des Druckgefäßes an. Bei gleichzeitiger Erhöhung der Wärmeab­ fuhr steigt die Strömungsgeschwindigkeit der flüssigen Phase innerhalb der Kapillarstruktur an. Es kommt zu einem Strö­ mungswiderstandsaufbau für die flüssige Phase. Dampf und Flüssigkeit bilden verschiedene Partialdrücke aus, wodurch die Funktion der Heat Pipe kollabiert.

Neben diesen Heat Pipes als Zweiphasen-Wärmetransportvorrich­ tung gibt es kapillargepumpte Loops (CPL) und Loop Heat Pipes (LHP). Auf der 29^th International Conference on Environmental Systems, Denver, Colorado, USA, 12.-15. Juli 1999, wurde von Jentung Ku die Betriebscharakteristik von Loop Heat Pipes vorgestellt.

Das Funktionsprinzip der Loop Heat Pipes ist vergleichbar mit dem einer Heat Pipe. Bei der Loop Heat Pipe ist die Kapillar­ struktur örtlich auf den Verdampfer beschränkt. In diesem findet der Phasenübergang Flüssig - Dampf statt. Dieser Dampf wird durch eine separate flexible Leitung zum Verflüssiger geführt. In diesem wird die Wärme über einen Wärmetauscher an Luft oder Wasser abgegeben. Das kondensierte Kältemittel der Loop Heat Pipe strömt mittels einer zweiten separaten flexi­ blen Leitung zum Verdampfer zurück. Angetrieben wird dieser Kreislauf durch die in der Kapillare erzeugte Druckdifferenz. Dieser hydrostatische Kapillardruck ist unter anderem von der Oberflächenspannung des Kühlmittels der Loop Heat Pipe abhän­ gig. Die im Verflüssiger abgeführte Wärmemenge bestimmt das Temperaturniveau des gesamten Systems.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Zweipha­ sen-Wärmetransportvorrichtung eines Stromrichtergerätes der­ art weiterzubilden, daß eine erhöhte Verlustwärme abgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch, daß als Zweiphasen-Wärmetransportvorrichtung eines Stromrichtergerätes anstelle einer Heat Pipe eine Loop Heat Pipe verwendet wird, deren Verdampfer wärmeleitend mit dem Leistungsmodulen des Stromrichtergerätes verbunden ist, kann eine wesentlich erhöhte Wärmemenge abgeführt werden, ohne daß die Zweiphasen-Wärmetransportvorrichtung kollabiert. Außerdem kann man die Leistungsmodule in Stromrichtergeräte beliebig anordnen, da Verdampfer und Verflüssiger beliebig voneinander getrennt im Stromrichtergerät untergebracht werden können. Das heißt, der Kühlort von verlustwärmeproduzierenden Bauele­ menten ist von ihrem Montageort räumlich getrennt. Dadurch kann das Bauvolumen des Stromrichtergerätes wesentlich redu­ ziert werden. Praktisch ist es, wenn der Verflüssiger in un­ mittelbarer Nähe einer Seitenwand bzw. Teil einer Seitenwand des Stromrichtergerätes ist.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Stromrichtergerä­ tes ist jedes verlustwärmeproduzierende Bauelement mit einem Verdampfer der Zweiphasen-Wärmetransportvorrichtung wärmelei­ tend verbunden. Zu diesen verlustwärmeproduzierenden Bauele­ menten gehören Halbleiterbauelemente, Kondensatoren, Wider­ stände, Drosseln und Transformatoren. Durch die Verwendung weiterer Verdampfer bei der Zweiphasen-Wärmetransportvorrich­ tung des Stromrichtergerätes dient das Bauvolumen nicht mehr als Aufnahmereservoire für die von Kondensatoren, Drosseln und Transformator produzierte Verlustwärme, wodurch eine wei­ tere Reduzierung des Bauvolumens des Stromrichtergerätes vor­ genommen werden kann. Außerdem erhält man ohne Zusatzaufwand ein Stromrichtergerät mit hoher Schutzart.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Zweipha­ sen-Wärmetransportvorrichtung des Stromrichtergerätes ist in der zum Verflüssiger führenden Verbindungsleitung ein Tempe­ raturregelventil angeordnet. Mit diesem Temperaturregelventil erhält man ein Betauungsschutz für den Verflüssiger.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Strom­ richtergerätes, das mit einem Motor eine Baueinheit bildet, ist der Motor mit weiteren Verdampfern der Zweiphasen-Wärme­ transportvorrichtung wärmeleitend verbunden. Dadurch wird durch die Wärmetransportvorrichtung des Stromrichtergerätes der Motor ebenfalls entwärmt, wodurch eine Leistungserhöhung des Motors möglich ist.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen einer erfin­ dungsgemäßen Zweiphasen-Wärmetransportvorrichtung schematisch veranschaulicht sind.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer bekannten Loop Heat Pipe, wobei die

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform dieser bekannten Loop Heat Pipe darstellt, die

Fig. 3 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der Wärme­ transportvorrichtung eines Stromrichtergerätes, die

Fig. 4 veranschaulicht die Anbringung eines Verdampfers der Wärmetransportvorrichtung bei einem Transformator des Stromrichters und in der

Fig. 5 ist ein integrierter Umrichtermotor mit der Zweipha­ sen-Wärmetransportvorrichtung nach der Erfindung ver­ anschaulicht.

Die Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer bekannten Loop Heat Pipe. Diese Loop Heat Pipe weist einen Verdampfer 2, einen Verflüssiger 4 und zwei Verbindungsleitung 6 und 8 auf. Die Verbindungsleitung 6 verbindet den Verdampfer 2 mit dem Verflüssiger 4. In dieser Verbindungsleitung 6, die vor­ zugsweise flexibel ist, strömt das Kältemittel in der Dampf­ phase. Der Verdampfer 2 ist noch mit einer Kompensationskam­ mer 10 versehen. Die Verbindungsleitung 8, die ebenfalls fle­ xibel sein kann, verbindet den Verflüssiger 4 mit der Kompen­ sationskammer 10, die mit dem Verdampfer 2 eine Baueinheit bildet. In dieser Verbindungsleitung 8 strömt das Kältemittel in der Flüssigphase. Der Verdampfer 2 ist mit einem verlust­ wärmeproduzierenden Bauelement 12, beispielsweise einem Lei­ stungsmodul, mit dem Verdampfer 2 wärmeleitend verbunden. Es kann zwischen dem Leistungsmodul 12 und dem Verdampfer 2 eine Montageplatte angebracht sein, die das Leistungsmodul 12 mit dem Verdampfer 2 wärmeleitend verbindet. Die vom Leistungsmo­ dul 12 abzuführende Wärmestromdichte ist mit Pin gekennzeich­ net. Als Verflüssiger 4 ist ein Wärmetauscher in der Ausfüh­ rungsform Fluid/Gas vorgesehen. Dieser Wärmetauscher 4 führt eine Wärmemenge ab, die mit P_out bezeichnet ist. Die Strö­ mungsrichtung der Luft ist mit dem Pfeil A gekennzeichnet.

In der Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform der bekannten Loop Heat Pipe näher dargestellt. Diese Ausführungsform un­ terscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 1 dadurch, daß als Wärmetauscher kein Fluid/Gas-Wärmetauscher, sondern ein Fluid/Kühlmittel-Wärmetauscher verwendet wird. Bei dieser Ausführungsform ist die Strömungsrichtung des Kühlmittels, beispielsweise Wasser, mit dem Pfeil B gekennzeichnet.

Der Übersichtlichkeit halber ist die bekannte Loop Heat Pipe nur mit einem Verdampfer 2 dargestellt. Diese bekannte Loop Heat Pipe kann auch mehrere Verdampfer 2 aufweisen. Da die Kompensationskammer 10 baulich mit dem Verdampfer 2 vereint ist, sind dann auch mehrere Kompensationskammern 10 vorhan­ den. Diese Loop Heat Pipe mit mehreren Verdampfern 2 kann mehrere getrennte Kältemittelkreisläufe haben, die räumlich am Verflüssiger 4 vereint sind. Es kann auch ein Kältemittel­ kreislauf vorhanden sein, der Verzweigungen vor jeder Kompen­ sationskammer 10 und nach jedem Verdampfer 2 aufweist. Bei einer derartigen Ausführungsform ist der Verflüssiger 4 so dimensioniert, daß die erforderliche Wärmemenge P_out abgeführt werden kann.

Zum Betauungsschutz ist bei einer vorteilhaften Ausführungs­ form ein Temperaturregelventil 14 in der Verbindungsleitung 6, die den Verdampfer 2 mit dem Verflüssiger 4 verbindet, eingebaut. Dieses Temperaturregelventil 14 ist mittels einer unterbrochenen Linie dargestellt, da es sich um eine Option handelt.

Die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der bekannten Loop Heat Pipe mit mehreren Verdampfern 2 bei verlustwärmeproduzieren­ den Bauelementen 16 eines Stromrichtergerätes. Bei diesen verlustwärmeproduzierenden Bauelementen 16 handelt es sich um Kondensatoren, beispielsweise einer Schutzbeschaltung (Snubber Circuit) oder eines Zwischenkreiskondensators eines spannungseinprägenden Umrichters. Wie diese Darstellung zeigt, ist jeder Verdampfer 2 mittels der Verbindungsleitun­ gen 6 und 8 mit dem Verflüssiger 4 verbunden. Dabei sind die Verbindungsleitungen 6 bzw. die Verbindungsleitungen 8 je­ weils mit einem Sammelstück 18 bzw. einem Verteilstück 20 verbunden. Ausgangsseitig ist das Sammelstück 18 mit dem Ver­ flüssiger 4, wobei das Verteilstück 20 eingangsseitig mit dem Verflüssiger 4 verknüpft ist. Der Verflüssiger 4 kann in der Ausführungsform Fluid/Gas bzw. Fluid/Kühlmittel verwendet werden. Um darzustellen, daß diese beiden Ausführungsformen gleichberechtigt nebeneinander verwendet werden können, ist in dieser Darstellung beide Möglichkeiten in einem Verflüssi­ ger 4 dargestellt.

In der Fig. 4 ist ein Transformators eines Stromrichtergerätes dargestellt, der einen Verdampfer 2 mit integrierter Kompen­ sationskammer 10 der Loop Heat Pipe aufweist. Dieser Verdamp­ fer 2 mit Kompensationskammer 10 ist einmal auf den Kern mon­ tiert (durchgezogene Linie) und einmal in den Kern integriert (unterbrochene Linie). Am Verdampfer 2 mit Kompensationskam­ mer 10 sind die flexiblen Verbindungsleitungen 6 und 8 ange­ schlossen, in denen das Kältemittel der Loop Heat Pipe in der Dampfphase bzw. in der Flüssigphase transportiert wird. Durch die wärmeleitende Verbindung zwischen Verdampfer 2 mit Kom­ pensationskammer 10 und dem Transformator wird dieser zwangs­ gekühlt und entlastet somit den Innenraum des Stromrichterge­ rätes von seiner Verlustleistung. Da bei der Loop Heat Pipe der Verdampfer 2 und der Verflüssiger 4 räumlich voneinander getrennt sind, hat der Montageort verlustleistungsproduzie­ render Bauelemente 12 keinen Einfluß auf seine Kühlungsart. Dadurch kann jedoch das Bauvolumen des Stromrichtergerätes erheblich reduziert werden, selbst bei einem Stromrichterge­ rät mit hoher Schutzart.

In der Fig. 5 ist ein integrierter Umrichtermotor näher darge­ stellt. Dieser Umrichtermotor ist ein Drehstrommotor 22 mit integriertem Frequenzumrichter 24. Der Frequenzumrichter 24 ist in den Klemmkasten des Drehstrommotors 22 integriert. Durch ihre kompakte Bauweise und somit kurze Kabelführung weisen sie wesentlich geringere Störemissionen auf als her­ kömmliche Antriebe mit einem Umrichter im Schaltschrank. Die­ ser sogenannte integrierte Umrichtermotor eignet sich beson­ ders für den Einsatz in der Industrie, beispielsweise als Pumpen- oder Lüfterantrieb. Die Loop Heat Pipe des integrier­ ten Frequenzumrichters 24 kann durch weitere Verdampfer 26 und 28 erweitert werden. Diese weiteren Verdampfer 26 und 28 sind wärmeleitend mit dem Statorgehäuse des Drehstrommotors 22 verbunden. Diese weiteren Verdampfer 26 und 28 sind mit­ tels flexibler Verbindungsleitungen 6 mit dem Verflüssiger 4 der Loop Heat Pipe des Frequenzumrichters 24 verbunden, der wiederum mittels flexibler Verbindungsleitungen 8 mit den weiteren Verdampfern 26, 28 und dem Verdampfer 2 des Fre­ quenzumrichters 24 verknüpft ist. Um dies zu verdeutlichen ist der Verflüssiger separat dargestellt. Durch die Verwen­ dung der Loop Heat Pipe als Zweiphasen-Wärmetransportvorrich­ tung bei einem integrierten Umrichtermotor ist eine Lei­ stungserhöhung des Drehstrommotors 22 möglich bzw. diese Aus­ führungsform kann kompakter ausfallen. Eine derartige bekann­ te Zweiphasen-Wärmetransportvorrichtung kann auch ohne den integrierten Frequenzumrichter 24 zur Entwärmung des Motors 22 verwendet werden.

Durch die Verwendung der bekannten Loop Heat Pipe in der An­ triebstechnik eröffnet sich eine Variablität der Montageorte verlustwärmeproduzierender Bauelemente eines Stromrichterge­ rätes. Das heiß, man kann nun diese verlustwärmeproduzierende Bauelemente eines Stromrichtergerätes unabhängig von der pro­ duzierten Verlustwärme im Stromrichtergerät anordnen und gleichzeitig das Bauvolumen des Stromrichtergerätes minimie­ ren. Die Dimensionierung des Stromrichtergerätes ist somit nur noch von der auftretenden Spannung abhängig.

Claims (8)

1. Stromrichtergerät mit verlustwärmeproduzierenden Bauele­ menten (16) und Leistungsmodulen (12), die miteinander elek­ trisch leitend verbunden und voneinander räumlich getrennt angeordnet sind, wobei die Leistungsmodule (12) mit einer Zweiphasen-Wärmetransportvorrichtung wärmeleitend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß diese Zweiphasen-Wärmetransportvorrichtung eine Loop Heat Pipe ist, die wenigstens einen Verdampfer (2) und einen Ver­ flüssiger (4) aufweist, die mittels Verbindungsleitungen (6, 8) miteinander verbunden sind, wobei der Verdampfer (2) mit den Leistungsmodulen (12) wärmeleitend verbunden ist.

2. Stromrichtergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes verlustwärmeproduzierende Bauelement (16) mit einem Verdampfer der Loop Heat Pipe wärmeleitend verbunden ist.

3. Stromrichtergerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (2) in einen verlustwärmeproduzierenden Bauelement (16) integriert ist.

4. Stromrichtergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der zum Verflüssiger (4) führenden Verbindungsleitung (6) ein Temperaturregelventil (14) angeordnet ist.

5. Stromrichtergerät nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verflüssiger (4) ein Wärmetauscher ist.

6. Stromrichtergerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher ein Luftwärmetauscher ist.

7. Stromrichtergerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher ein Wasserwärmetauscher ist.

8. Stromrichtergerät nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 7, das mit einem Motor (22) eine Baueinheit bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (22) mit weiteren Verdampfer (26, 28) wärmelei­ tend verbunden ist, die mittels Verbindungsleitungen (6, 8) mit der Wärmetransportvorrichtung des Stromrichtergerätes verknüpft sind.