DE3236612C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlanordnung für einen Stromrichter mit Siedeflüssigkeits-Kühlung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Kühlanordnung für einen Stromrichter mit Siedeflüssigkeits-Kühlung ist aus der US-PS 43 06 613 bekannt. Dort wird ein passives Kühlsystem vorgeschla­ gen, bei dem ein Wärmeerzeuger mittels natürlicher Kon­ vektion (Luftumwälzung) Wärme an einen ersten Wärmetau­ scher abgibt. Über diesen ersten Wärmetauscher wird eine Flüssigkeit aufgeheizt. In der Flüssigkeit befinden sich latente Energiespeicher, die eine eutektische Salzlösung enthalten. Die eutektische Salzlösung weist einen Pha­ senwechsel bei 81°F auf. Ferner kann die Flüssigkeit in einen außerhalb der wärmeerzeugenden Anlage angeordneten zweiten Wärmetauscher strömen und dort Wärme an die Au­ ßenluft abgeben. Zusätzlich sind in der Flüssigkeit thermoelektrische Kühlmodule angeordnet. Als Flüssigkeit kann sowohl eine Siedeflüssigkeit (FREON) als auch Was­ ser Verwendung finden.

Eine Kühlanordnung für einen Stromrichter mit Siedeflüs­ sigkeits-Kühlung ist desweiteren aus der US-PS 42 60 014 bekannt. Ein von einer Siedeflüssigkeit umspülter Wärme­ erzeuger heizt die Siedeflüssigkeit auf und der dabei entstehende Dampf wird über einen Wärmetauscher mittels Kühlluft rückgekühlt.

Die Verlustleistung von Stromrichtern kann zwar auch durch andere Kühlverfahren abgeführt werden, jedoch ist die Siedekühlung besonders zweckmäßig, wenn als Siede­ flüssigkeit ein elektrisch gut isolierendes Medium, wie z. B. ein Fluorchlorkohlenstoff genommen wird. In diesem Fall können die elektrische Spannung führenden Bauele­ mente direkt in die Siedeflüssigkeit eintauchen, so daß man den besten Wärmekontakt erzielt.

Bei dieser sogenannten Kesselkühlung kann die von der Siedeflüssigkeit aufgenommene Wärme direkt über die Wan­ dung des Kessel abgeführt werden. Die Wand des Kessels soll möglichst großflächig sein, was durch Kühlrippen erreicht werden kann. Man kann aber auch den beim Sieden entstehenden Dampf einem separaten Wärmetauscher zufüh­ ren und den Kessel z. B. aus Kunststoff herstellen, so daß er amagnetisch aber auch thermisch gut isolierend ist. Bei Stromrichterarten mit elektromagnetischen Streufeldern kann ein derartiger Kessel von Vorteil sein. Bei beiden Kesselarten kann die Wärmeabgabe an Luft durch freie Konvektion oder durch Zwangskonvektion erfolgen, wobei letztere günstigere Kühlbedingungen er­ gibt.

Bei allen Siedeflüssigkeiten besteht ein Zusammenhang zwischen der Siedetemperatur und dem dabei herrschenden Druck. Evakuiert man einen Behälter und füllt die benö­ tigte Menge Siedeflüssigkeit ein, so setzt sofort ein Sieden ein, bis sich ein der Einfülltemperatur ent­ sprechender Druck einstellt. Durch den Evakuierungsgrad ist man in der Lage, die Siedetemperatur zu wählen, die man bei ungünstigster, d. h. wärmster Umgebungstemperatur haben will. Dieser Temperaturwert ist natürlich nur dann einzuhalten, wenn die Verlustleistung und die thermi­ schen Widerstände aufeinander abgestimmt sind.

Es kann der Fall eintreten, daß bei maximaler Verlust­ leistung und maximaler Umgebungstemperatur ein thermi­ scher Gleichgewichtszustand vorliegt und die Temperatur der Umgebung, d. h. die der Kühlluft, dann weiter angeho­ ben wird. Wenn dann alle anderen Bedingungen nicht ver­ ändert werden, kann mit zunehmender Übertemperatur immer weniger Verlustleistung an die Umgebung abgeführt wer­ den. Sobald die Temperatur der Kühlluft der Temperatur der Kühlfläche entspricht, ist keine Wärmeabfuhr mehr möglich und bei weiter ansteigender Kühllufttemperatur kehrt sich die Richtung des Energieflusses sogar um. Da eine Umkehr des Energieflusses auf keinen Fall zugelas­ sen werden kann, muß die Zwangskonvektion in einem der­ artigen Fall unterbunden werden.

Es ist an sich möglich, eine weitere Kühlung durch Zu­ satzeinrichtungen, z. B. Zuschalten eines Kälteaggre­ gates, zu erreichen. Dafür ist jedoch eine größere Ver­ sorgungsleistung erforderlich. Außerdem kann eine zu­ sätzliche Kühlung durch eine direkt zur Luft wirkende Siedekühlung ermöglicht werden. Diese zur Luft wirkende Siedekühlung hat jedoch den Nachteil des Verlustes von Siedeflüssigkeit und sollte daher bei einem elektrischen Gerät, das wartungsarm bis wartungslos sein soll, nicht in Betracht gezogen werden. Für Übertemperaturen, die nur für eine begrenzte Zeit anstehen, sind die bisher bekannten Anordnungen zu aufwendig.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Kühlanordnung für einen Stromrichter mit Siedeflüssigkeits-Kühlung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der auch beim An­ steigen der Umgebungstemperatur über den Wert der maxi­ malen Umgebungstemperatur, für die die Rückkühlung der Siedeflüssigkeit ausgelegt ist, eine zuverlässige Küh­ lung gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei Ansteigen der Außentemperatur über den Wert der ma­ ximalen Umgebungstemperatur wird vorteilhaft ein thermi­ scher Energiespeicher zugeschaltet. Eine derartige An­ ordnung ist besonders wirksam, wenn ein Speichermedium mit großer spezifischer Wärme, wie z. B. Wasser, gewählt wird. Durch eine derartige Wahl des Speichermediums kann erreicht werden, daß ohne eine Vergrößerung der Masse und damit des Volumens eine größere Wärme­ speicherkapazität erzielt wird.

In den Zeichnungen ist ein schematisches Ausführungsbei­ spiel der Erfindung darstellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Stromrichter mit Siedeflüssigkeits­ kühlung und einem zusätzlichen thermischen Speicher;

Fig. 2 einen Wärmetauscher im Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1.

In einem gasdichten Kessel 1 ist bis zu einer gewissen Höhe H Siedeflüssigkeit 2 eingefüllt. Die zu kühlenden elektrischen Bauelemente, von denen ein Bauelement 3 dargestellt ist, befinden sich in der Siedeflüssigkeit und sind über in der Kesselwand angeordnete gasdichte elektrische Durchführungen 4 mit hier nicht dargestell­ ten Bauelementen verbunden. Über dem Kessel 1, aber mit ihm hydraulisch verbunden, befindet sich der Wärmetau­ scher 5, in dem der aufsteigende Dampf 6 der Siedeflüs­ sigkeit 2 abgekühlt wird und kondensiert.

Wie sich aus Fig. 2 ergibt, ist der Wärmetau­ scher 5 als Drei-Kammer-Kühler ausgebildet. Die in viele Einzelkammern aufgeteilte Luftführung 7 wird von einer Kammer 8, in welcher der Dampf 6 der Siedeflüssigkeit 2 aufsteigt, umschlossen. Die Kammer 8 wird umgeben von der Kammer 9, in der das Waser 10 für den zusätzlichen thermischen Speicher geführt wird.

Mittels eines Ventilators 11, der von einem temperatur­ gesteuerten Motor 12 angetrieben wird, werden die Luft­ führungen 7 belüftet. An die Kammer 9 des Wärmetauschers 5 ist ein mit Wasser 10 gefüllter Speicher 13 ange­ schlossen. Dieser Speicher ist bei einem geschlossenen Kreislauf der Speicherflüssigkeit 10 als Druckspeicher 14 ausgebildet. Über ein Handventil 15 kann der Speicher gefüllt werden. Über die Rohrleitungen 16 und 17 ist er hydraulisch mit dem Wärmetauscher 5 verbunden. Über ein temperaturgesteuertes Ventil 18 wird der Speicher mit dem Wärmetauscher verbunden oder von ihm getrennt. Es genügt meistens, wenn nur in einer Rohrleitung ein der­ artiges temperaturgesteuertes Ventil angeordnet ist.

Um einen besseren Wirkungsgrad zu erreichen, kann es zweckmäßig sein, den Stromrichter einschließlich des Kessels mit der Siedeflüssigkeit und des Wasserspeichers mit einer guten thermischen Isolation 19 zu umgeben. Die Luftführung wird zweckmäßig so gewählt, daß bei Eintre­ ten einer Übertemperatur außerhalb des Behälters keine Wärmeabgabe durch Konvektion mehr auftritt, auch nicht durch thermischen Auftrieb.

Die Erfindung kann beispielsweise bei Lokomotiven einge­ setzt werden. Besonders zweckmäßig ist jedoch die Anwen­ dung, wenn, wie in Nordamerika, sehr lange Güterzüge in Mehrfachtraktion betrieben werden, d. h. der Zug wird von mehreren Lokomotiven gezogen, wobei diese auf den Zug­ verband verteilt sind. Diese Lokomotiven haben meistens einen dieselelektrischen Antrieb. Der Dieselmotor mit Generator stellt die Energiequelle, Elektromotoren die Antriebsmaschinen dar, welche von siedegekühlten Strom­ richtern gesteuert werden.

Diese Güterzüge verkehren auf Trassen, welche auch durch Tunnel führen. Hierbei können Tunnelfahrten von einer halben Stunde vorkommen. Durch die Verlustleistung der vorlaufenden Lokomotiven wird die Tunneltemperatur der­ art angehoben, daß Werte bis zu 100°C bei der letzten Lokomotive gemessen wurden.

Bei der Fahrt im offenen Land ist bei Temperaturen bis 40°C die Luftkühlung mittels Zwangskonvektion wirksam. Fährt der Zug in einen Tunnel ein, wird bei jeder Loko­ motive die Stromrichterkühlung abgeschaltet, bei der die angesaugte Kühlluft 40°C übersteigt. Gleichzeitig wird das Ventil 18 geöffnet, so daß das Wasser über die Was­ serkammer 9 strömen und Wärmeenergie aufnehmen kann. Ein Kreislauf zwischen dem Speicher 13 und der Wasserkammer 9 entsteht aufgrund der Thermosyphonwirkung. Sofern sich die Lokomotive wieder im freien Land befindet, wird das Ventil 18 erst dann wieder geschlossen, wenn durch die eingeschaltete Luftkühlung das Speichermedium rückge­ kühlt ist.

Bekanntlich ist das Wärmespeichervermögen eines Körper propotional seiner spezifischen Wärme, seinem Gewicht und dem zulässigen Temperaturhub. Im Falle einer Siede­ kühlung kommt noch die dem Temperaturhub proportionale Verdampfungsenergie hinzu. Es ergibt sich somit bei ei­ nem Stromrichter in Kesselausführung eine Summe von Wär­ mekapazitäten, welche bei einem Speicherbetrieb in Be­ tracht zu ziehen sind. Bei Stromrichter mit Halblei­ terelementen liegt die Grenz-Kristalltemperatur bei etwa 120°C. Es erscheint wirtschaftlich zulässig, bei einer maximalen Lufttemperatur von etwa 40°C außerhalb des Tunnels eine Kristalltemperatur von 100°C anzusetzen. Damit hat man einen normalen Temperaturhub von 100-40 = 60 K und einen Speicherhub von 120-100 = 20 K zur Verfügung.

Von besonderer Bedeutung ist das verwendete Speicherme­ dium. Im allgemeinen wird als Siedeflüssigkeit Fluor­ chlorkohlenstoff mit einer spezifischen Wärme von ca. 0,95 kJ pro kg × K verwendet. Aluminium liegt etwa in der gleichen Größenordnung, Kunststoffe darüber, Stahl und Kupfer etwa beim halben Wert. Der gemittelte Wert der spezifischen Wärme kann etwa zu einem Fünftel des Wertes von Wasser eingesetzt werden. Daher ergeben sich bei der Verwendung von Wasser als Speichermedium nur 20% des Gewichtes und 30% des Volumens der Siedeflüssigkeit, als wenn man nur mit Siedeflüssigkeit arbeiten würde. Durch den besseren Wärmeübergang von Wasser gegenüber Luft und dem schon erwähnten Speichergewinn durch Sieden über einen Hub von 20 K ergeben sich noch weitere Mas­ seneinsparungen.

Wenn der Stromrichter als Wechselrichter ausgeführt wird, sind auch Leistungskondensatoren notwendig. Diese Kondensatoren besitzen als Isoliermittel Öl, welches auch innerhalb der Kondensatorwickel vorhanden sein muß. Wenn diese Kondensatoren zu stark abkühlen, schrumpfen die Wickel und pressen das Öl heraus. Die Untergrenztem­ peratur für solche Kondensatoren liegt nicht so tief, wie es Einsatzfälle in Ländern, wie z. B. Nordamerika mit sich bringen. Die Kondensatoren müssen daher bei tiefen Temperaturen geheizt werden. Die Heizung ist dann ab­ schaltbar, wenn der Wasserspeicher im Kondensatorraum untergebracht wird und auch bei tiefen Temperaturen zu­ schaltbar ist. Die Luftkühlung kann abgeschaltet oder getaktet werden.

Claims (5)

1. Kühlanordnung für einen Stromrichter, wobei die von den Halbleiterventilen des Stromrichters produzierte Verlustleistungswärme an eine Siedeflüssigkeit abgegeben wird, sowie eine Rückkühlung der Siedeflüssigkeit mit­ tels Kühlluft erfolgt und wobei die Rückkühlung für die Abführung einer maximalen Verlustleistungswärme bei ei­ ner bestimmten maximalen Umgebungstemperatur ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ansteigen der Um­ gebungstemperatur über den Wert der maximalen Umgebungs­ temperatur die Rückkühlung der Siedeflüssigkeit (2) mit­ tels Kühlluft abschaltbar und gleichzeitig ein zusätzli­ cher thermischer Energiespeicher (13) zur Rückkühlung der Siedeflüssigkeit (2) zuschaltbar ist.

2. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Umschaltung von einer Rückkühlung der Siedeflüssigkeit (2) mittels Kühlluft auf eine Rückküh­ lung mittels des thermischen Energiespeichers (13) ther­ moelektrisch erfolgt.

3. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zuschaltbare thermische Energiespeicher (13) mit Wasser (10) gefüllt ist.

4. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zur Rückkühlung der Sie­ deflüssigkeit (2) dienender Wärmetauscher (5) als Drei- Kammer-Wärmetauscher (7, 8, 9) mit getrennten Kammern für den Dampf der Siedeflüssigkeit, die Kühlluft und das Medium (10) des thermischen Energiespeichers (13) ausge­ führt ist.

5. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Energiespei­ cher (13) bei Umgebungstemperaturen unterhalb der maxi­ malen Umgebungstemperatur Wärmeenergie an seine Umgebung abgibt.