EP3036765A2 - Cooling device for a current converter module - Google Patents

Cooling device for a current converter module

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Publication number
EP3036765A2
EP3036765A2 EP14755771.4A EP14755771A EP3036765A2 EP 3036765 A2 EP3036765 A2 EP 3036765A2 EP 14755771 A EP14755771 A EP 14755771A EP 3036765 A2 EP3036765 A2 EP 3036765A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
cooling
cooling device
coolant
cooling circuit
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14755771.4A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Christoph Meyer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vensys Elektrotechnik GmbH
Original Assignee
Vensys Elektrotechnik GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Vensys Elektrotechnik GmbH filed Critical Vensys Elektrotechnik GmbH
Publication of EP3036765A2 publication Critical patent/EP3036765A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28D1/0246—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid heat-exchange elements having several adjacent conduits forming a whole, e.g. blocks
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
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    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
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    • H01L29/72—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals
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Definitions

  • the invention relates to a cooling device for a
  • the heat emitted to the heat sink heat is passed directly to a heat exchanger, which is traversed by a cooling liquid.
  • a cooling liquid for corrosion or antifreeze reasons, for example, a water-ethanol mixture or a water-glycol mixture is used.
  • the cooling liquid is in turn fed to an air cooler in a cooling circuit where it is correspondingly cooled before it is in turn returned via a pump to the heat exchanger of the power semiconductor.
  • a problem with such a refrigeration cycle may be a condition in which the temperature difference at the
  • the object of the invention is, therefore, the temperature difference at the heat exchanger in a cooling device for a
  • Fig. 1 is a block diagram of the invention
  • Fig. 2 is a schematic diagram of the according to FIG. 1
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of the cooling device according to the invention.
  • the cooling device according to the invention consists overall of one operated with a liquid coolant
  • Cooling circuit The coolant used is a water-ethanol mixture. Additionally, the coolant enters
  • the inhibitor keeps the lime in solution in solution and protects the steel, aluminum and copper materials of the cooler by a protective film formation (oxygen diffusion).
  • the cooling device is provided for a power converter module of a wind turbine or a solar system for grid feed.
  • Such power converter modules must be designed for powers of a few kW to several MW and have a plurality of power components.
  • a power component is in each case coupled to a heat exchanger and a coolant channel.
  • Cooling circuit 3 IGBT to be cooled.
  • Reference numeral 103 is indicated.
  • the heat exchanger 103 of said IGBT is via the cooling liquid passage 104 in the flow (ie in the flow direction of the liquid Coolant seen behind the radiator and before the
  • Heat exchanger with a vertical (i.e., parallel to
  • the flow cross section of the distributor tube 101 is larger than the flow cross sections of the incoming and outgoing cooling liquid channels.
  • Coolant as seen behind the heat exchanger and in front of the radiator) with a manifold 102 also mounted vertically (i.e., parallel to the gravity vector)
  • the flow cross section of the distributor tube 102 is in turn larger than the flow cross sections of the incoming and outgoing cooling liquid channels.
  • Cooling device by no means mandatory.
  • a disadvantage of this mounting direction is the fact that air bubbles may collect in the upper part of each heat exchanger 103. Another possibility of each
  • Heat exchanger 103 is therefore the mounting direction perpendicular to the gravity vector, ie the gravity vector is then perpendicular to the plane of each heat exchanger 103.
  • air bubbles are evenly distributed in the heat exchanger and can be removed immediately via the cooling liquid.
  • the coolant for the return is collected and passed through the cooling liquid passage 107 to an air cooler 109.
  • the air cooler 109 cools the coolant for the return.
  • the pump 108 As seen in the flow direction of the coolant behind the air cooler 109 is the pump 108, the
  • Air cooler in Fig. 1 is then to modify accordingly.
  • the coolant channel 106 the coolant finally returns to the flow and thus into the
  • Manifold 101 which forwards the cooling liquid to the IGBT 103.
  • a venting valve 110 or 111 Above the distributor tube 101 or 102 there is a venting valve 110 or 111.
  • the venting valve 110 or III is mechanically controlled by a membrane which when dehydrated contracts and expands again when in contact with water.
  • the vent valve 110 or 111 may be installed in both manifolds 101 and 102, respectively.
  • vent valve 110 Operation of the vent valve is also guaranteed if it is installed either in the manifold 101 or in the manifold 102.
  • the following description refers only to the vent valve 110.
  • the air in the form of air bubbles is transported through the cooling circuit until it reaches the distributor tube 101.
  • the flow cross section of the distributor tube 101 is larger than the flow cross section of the
  • Coolant channels 104 This causes the
  • Flow velocity of the coolant in the manifold 101 is smaller than the flow rate of the
  • Air bubbles have enough time to ascend in the manifold 101 to the vent valve 110.
  • Coolant channel 105
  • the manifold 102 may with reference to the
  • Gravity vector be mounted at the same height as the manifold 101, as shown in Fig. 1. However, this method of installation is not absolutely necessary. Another preferred method of assembly is, for example, that the manifold 102 with respect to the Gravity vector is mounted higher than the highest
  • Manifold tube 102 are transported and vented there via the vent valve 111.
  • Air release valve opens and expands when in contact with water and closes the air release valve. Another possibility is that the air release valve is connected to a control unit and from the
  • the air release control unit is opened as soon as an air-entrapment sensor within the manifold near the air-bleed valve detects an amount of air exceeding a predetermined level.
  • the trapped air sensor may be based on the signal from a swimmer whose level is being evaluated.
  • the heater 112 may for example consist of a leading into the manifold 110 heating coil, which, if necessary, with electricity
  • the heater 112 serves the purpose that the heat exchanger can be heated by heating the coolant if necessary, in the event that one or more
  • the said exceptional case usually occurs when the power converter module is not in operation (for example for maintenance) and at the same time the ambient air is warmed up due to external solar radiation (for example in the morning hours).
  • condensation forms on the heat exchanger 103 as well as on the heat sinks of the IGBT and the IGBT itself, which is too
  • Heat exchanger 103 is not cooled, but rather easily heated, so that condensation can be prevented. To maintain the circulating
  • Coolant (or now heat medium)
  • the pump 108 is not required in particular when the heater with respect to the cooling circuit (or now
  • FIG. 2 shows a schematic circuit diagram of FIG. 1
  • the components 203, 204 and 205 correspond to the
  • the heat sink of an IGBT is flanged.
  • two manifolds 201 and 202 are provided, between which parallel pipes 206 are connected.
  • the parallel pipes 206 extend through their parallel connection the effective flow cross section of the heat exchanger 203 and at the same time prevent the formation of turbulent flows.
  • Flow 104 and the return 105 can be kept to a low level.
  • the temperature difference is always below 10 Kelvin, more preferably below 5 Kelvin.
  • the low temperature difference in turn ensures that the IGBT in question is cooled evenly, which increases the operating time and the
  • the cooling device is designed for cooling of very high power losses (per heat exchanger greater than 1 kilowatt).
  • a heat exchanger is for the cooling of one
  • Power device e.g., IGBT
  • the cooler is able to cool the cooling medium with the resulting total power loss.
  • the pump is capable of operating in the cooling circuit with bridged heat exchangers (i.e., the heat exchangers are removed for this purpose)
  • the sought-after heat exchanger should heat the coolant with the power loss P v .
  • Pv-At V-At-pc- ⁇ with power dissipation
  • the temperature difference .DELTA. ⁇ can actually be met, if in the
  • Heat exchangers are connected in parallel so that the temperature difference at the heat exchanger the predetermined amount ⁇ according to the above formula of
  • V-p-c does not exceed.
  • Cooling medium water

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Abstract

The invention relates to a cooling device for a current converter module. In order to keep the temperature difference on the heat exchanger in a cooling device for a current converter module as low as possible, the cooling device has a cooling liquid channel, which conducts a liquid coolant and which is connected to a cooling circuit, a heat exchanger, which is connected in the cooling circuit and to which a power component is coupled in a thermally conductive manner, and a cooler for cooling the liquid coolant, which cooler is connected in the cooling circuit, wherein a plurality of pipelines is connected in parallel in the heat exchanger in such a way that the temperature difference on the heat exchanger does not exceed a specified quantity.

Description

Kühlvorrichtung für ein Stromumrichtermodul  Cooling device for a power converter module
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für ein The invention relates to a cooling device for a
Stromumrichtermodul . Power converter module.
Bei Anlagen zur Gewinnung elektrischer Energie, etwa bei Windenergieanlagen oder Solaranlagen, werden In systems for the production of electrical energy, such as wind turbines or solar systems are
Stromumrichtermodule eingesetzt, die die erzeugte Stromumrichtermodule used that generated the
Gleichspannung bzw. Wechselspannung in eine Spannung mit der vom Netzeinspeisepunkt geforderten Frequenz wandeln. Solche Umrichter können je nach Anwendungsfall eine Convert DC voltage or AC voltage into a voltage with the frequency required by the grid connection point. Such converters can, depending on the application, a
Leistungsübertragung von einigen kW bis zu einigen MW aufweisen. Im Inneren des Stromumrichtermoduls befinden sich schnell schaltende Leistungshalbleiter, beispielsweise Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (englisch insulated-gate bipolar transistor, kurz IGBT) . Die aufgrund von Umwandlungsverlusten entstehende Wärme wird an einen oder mehrere Kühlkörper abgegeben. Diese Wärme muss durch eine entsprechende Kühlvorrichtung abgeführt werden, damit der Leistungshalbleiter nicht aufgrund von Überhitzung zerstört wird. Power transmission from a few kW up to several MW have. Inside the power converter module are fast switching power semiconductors, such as bipolar transistors with insulated gate (English insulated-gate bipolar transistor, short IGBT). The heat generated due to conversion losses is dissipated to one or more heatsinks. This heat must be dissipated by a corresponding cooling device, so that the power semiconductor is not destroyed due to overheating.
Vorzugsweise wird die an den Kühlkörper abgegebene Wärme direkt an einen Wärmetauscher weitergeleitet, der von einer Kühlflüssigkeit durchströmt wird. Als Kühlflüssigkeit wird aus Korrosions- oder Frostschutzgründen beispielsweise ein Wasser-Ethanol-Gemisch oder ein Wasser-Glykol-Gemisch verwendet . Preferably, the heat emitted to the heat sink heat is passed directly to a heat exchanger, which is traversed by a cooling liquid. As a coolant for corrosion or antifreeze reasons, for example, a water-ethanol mixture or a water-glycol mixture is used.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Die Kühlflüssigkeit wird in einem Kühlkreislauf wiederum einem Luftkühler zugeführt und dort entsprechend abgekühlt, bevor diese wiederum über eine Pumpe zu dem Wärmetauscher des Leistungshalbleiters zurückgeführt wird. CONFIRMATION COPY The cooling liquid is in turn fed to an air cooler in a cooling circuit where it is correspondingly cooled before it is in turn returned via a pump to the heat exchanger of the power semiconductor.
Ein Problem bei einem derartigen Kühlkreislauf kann ein Zustand sein, bei dem die Temperaturdifferenz an dem A problem with such a refrigeration cycle may be a condition in which the temperature difference at the
Wärmetauscher zwischen der Vorlauftemperatur und der Heat exchanger between the flow temperature and the
Rücklauftemperatur zu stark ansteigt. Hierdurch resultiert starkes Temperaturgefälle am Wärmetauscher-, das zu einer Beschädigung oder gar auch zu einer Zerstörung von Return temperature rises too high. This results in a strong temperature gradient on the heat exchanger, which leads to damage or even to the destruction of
elektronischen Bauteilen führen kann. Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Temperaturdifferenz am Wärmetauscher in einer Kühlvorrichtung für ein can lead electronic components. The object of the invention is, therefore, the temperature difference at the heat exchanger in a cooling device for a
Stromumrichtermodul möglichst gering zu halten. Keep power converter module as low as possible.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. This object is solved by the features of patent claim 1.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind durch die Further preferred embodiments are by the
Unteransprüche 2 - 8 angegbeben. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren erläutert. Es zeigt Subclaims 2 - 8 angegbeben. Further details and advantages of the invention will be explained with reference to the following figures. It shows
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Fig. 1 is a block diagram of the invention
Kühlvorrichtung, und  Cooling device, and
Fig. 2 ein Prinzipschaltbild des gemäß Fig. 1 Fig. 2 is a schematic diagram of the according to FIG. 1
verwendeten Wärmetauschers. Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung . used heat exchanger. Fig. 1 shows a schematic diagram of the cooling device according to the invention.
Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung besteht insgesamt aus einem mit einem flüssigen Kühlmittel betriebenen The cooling device according to the invention consists overall of one operated with a liquid coolant
Kühlkreislauf. Als Kühlmittel wird ein Wasser-Ethanol- Gemisch verwendet. Zusätzlich wird dem Kühlmittel ein  Cooling circuit. The coolant used is a water-ethanol mixture. Additionally, the coolant enters
Korrosionsinhibitor zugesetzt. Der Inhibitor hält den im Wasser befindlichen Kalk in Lösung und schützt die Stahl-, Aluminium- und Kupfermaterialen der Kühlvorrichtung durch eine Schutzfilmbildung (Sauerstoffdiffusion) . Added corrosion inhibitor. The inhibitor keeps the lime in solution in solution and protects the steel, aluminum and copper materials of the cooler by a protective film formation (oxygen diffusion).
Als Beispiel wird angenommen, dass die Kühlvorrichtung für ein Stromumrichtermodul einer Windenergieanlage oder einer Solaranlage zur Netzeinspeisung vorgesehen ist. Derartige Stromumrichtermodule müssen für Leistungen von einigen kW bis zu einigen MW ausgelegt sein und weisen eine Vielzahl von Leistungsbauelementen auf. Insbesondere in der oben Leistungsklasse von einigen MW ist es vorteilhaft, wenn ein Leistungsbauelement jeweils mit einem Wärmetauscher und einem Kühlflüssigkeits kanal gekoppelt ist. By way of example, it is assumed that the cooling device is provided for a power converter module of a wind turbine or a solar system for grid feed. Such power converter modules must be designed for powers of a few kW to several MW and have a plurality of power components. Particularly in the above-mentioned power class of a few MW, it is advantageous if a power component is in each case coupled to a heat exchanger and a coolant channel.
Als Beispiel wird weiter angenommen, dass in dem As an example, it is further assumed that in the
Kühlkreislauf 3 IGBT gekühlt werden sollen. Cooling circuit 3 IGBT to be cooled.
Selbstverständlich ist die Erfindung aber auch auf dieOf course, the invention is also on the
Kühlung von nur einem IGBT oder auf eine beliebige Vielzahl von IGBT anwendbar. Cooling of only one IGBT or applicable to any variety of IGBT.
Von den 3 IGBT ist aus Vereinfachungsgründen nur ein IGBT zusammen mit dem zugehörigen Wärmetauscher mit dem Of the 3 IGBT is for reasons of simplification, only one IGBT together with the associated heat exchanger with the
Bezugszeichen 103 gekennzeichnet. Der Wärmetauscher 103 des besagten IGBT ist über den Kühlflüssigkeitskanal 104 im Vorlauf (d.h. in Strömungsrichtung des flüssigen Kühlmittels gesehen hinter dem Kühler und vor dem Reference numeral 103 is indicated. The heat exchanger 103 of said IGBT is via the cooling liquid passage 104 in the flow (ie in the flow direction of the liquid Coolant seen behind the radiator and before the
Wärmetauscher) mit einem senkrecht (d.h. parallel zum Heat exchanger) with a vertical (i.e., parallel to
Schwerkraftvektor) montierten Verteilerrohr 101 Gravity vector) mounted manifold 101
verschaltet. Der Strömungsquerschnitt des Verteilerrohrs 101 ist größer als die Strömungsquerschnitte der zu- und abführenden Kühlflüssigkeitskanäle . connected. The flow cross section of the distributor tube 101 is larger than the flow cross sections of the incoming and outgoing cooling liquid channels.
In entsprechender Weise ist der Wärmetauscher 103 des besagten IGBT über den Kühlflüssigkeitskanal 105 im Similarly, the heat exchanger 103 of said IGBT via the cooling liquid passage 105 in
Rücklauf (d.h. in Strömungsrichtung des flüssigen Return (i.e., in the flow direction of the liquid
Kühlmittels gesehen hinter dem Wärmetauscher und vor dem Kühler) mit einem ebenfalls senkrecht (d.h. parallel zum Schwerkraftvektor) montierten Verteilerrohr 102  Coolant as seen behind the heat exchanger and in front of the radiator) with a manifold 102 also mounted vertically (i.e., parallel to the gravity vector)
verschaltet. Der Strömungsquerschnitt des Verteilerrohrs 102 ist wiederum größer als die Strömungsquerschnitte der zu- und abführenden Kühlflüssigkeitskanäle . connected. The flow cross section of the distributor tube 102 is in turn larger than the flow cross sections of the incoming and outgoing cooling liquid channels.
Die Funktion des Wärmetauschers wird unten anhand von The function of the heat exchanger is explained below by means of
Fig.2 weiter erläutert. An dieser Stelle wird ergänzend noch auf die Montagerichtung des Wärmetauschers mit Bezug auf den Schwerkraftvektor eingegangen. Die Darstellungen in Fig. 1 und Fig. 2 zeigen eine Montagerichtung parallel zum Schwerkraftvektor (d.h. der Schwerkraftvektor liegt in der Zeichenebene). Diese Montagerichtung ist aus Platzgründen oft notwendig (und wurde aus Darstellungsgründen hier gewählt) , ist aber für die Funktion der gesamten Fig.2 further explained. At this point, the mounting direction of the heat exchanger with respect to the gravity vector is additionally discussed. The illustrations in Figures 1 and 2 show a mounting direction parallel to the gravity vector (i.e., the gravity vector is in the plane of the drawing). This mounting direction is often necessary for reasons of space (and was chosen here for reasons of illustration), but is for the function of the entire
Kühlvorrichtung keineswegs zwingend. Ein Nachteil dieser Montagerichtung ist die Tatsache, dass sich möglicherweise Luftbläschen im oberen Teil eines jeden Wärmetauschers 103 sammeln können. Eine andere Möglichkeit eines jeden Cooling device by no means mandatory. A disadvantage of this mounting direction is the fact that air bubbles may collect in the upper part of each heat exchanger 103. Another possibility of each
Wärmetauschers 103 ist daher die Montagerichtung senkrecht zum Schwerkraftvektor, d.h. der Schwerkraftvektor steht dann senkrecht auf der Ebene eines jeden Wärmetauschers 103. In diesem Fall verteilen sich Luftbläschen gleichmäßig im Wärmetauscher und können über die Kühlflüssigkeit umgehend wieder abgeführt werden. Im Verteilerrohr 102 wird das Kühlmittel für den Rücklauf gesammelt und über den Kühlflüssigkeitskanal 107 an einen Luftkühler 109 geleitet. Der Luftkühler 109 kühlt die Heat exchanger 103 is therefore the mounting direction perpendicular to the gravity vector, ie the gravity vector is then perpendicular to the plane of each heat exchanger 103. In this case, air bubbles are evenly distributed in the heat exchanger and can be removed immediately via the cooling liquid. In the distribution pipe 102, the coolant for the return is collected and passed through the cooling liquid passage 107 to an air cooler 109. The air cooler 109 cools the
Temperatur des Kühlmittels auf ein erforderliches Maß herab und führt das Kühlmittel erneut dem Kühlkreislauf in den Vorlauf zu. Temperature of the coolant down to a required level and redirects the coolant to the cooling circuit in the flow.
In Strömungsrichtung des Kühlmittels gesehen hinter dem Luftkühler 109 befindet sich die Pumpe 108, die die As seen in the flow direction of the coolant behind the air cooler 109 is the pump 108, the
Zirkulation des Kühlmittels innerhalb des Kühlkreislaufs unterstützt und aufrechterhält. Wenn man die natürliche Konvektion der Kühlflüssigkeit für die Zirkulation des Kühlmittels ausnutzen möchte (d.h. warme Kühlflüssigkeit steigt entgegen dem Schwerkraftvektor nach oben und kalte Kühlflüssigkeit sinkt mit dem Schwerkraftvektor nach unten) , dann ist es erforderlich, dass der Luftkühler 109 mit Bezug auf den Schwerkraftvektor am höchsten Punkt des Kühl kreislaufs installiert ist. Die Verschaltung des Supports and maintains circulation of the coolant within the cooling circuit. If one wishes to exploit the natural convection of the cooling liquid for the circulation of the coolant (ie warm coolant rises upwards against the gravity vector and cold coolant sinks downwards with the gravity vector), then it is necessary for the air cooler 109 to move with respect to the gravity vector at highest point of the cooling circuit is installed. The interconnection of the
Luftkühlers in Fig. 1 ist dann entsprechend abzuändern. Über den Kühlflüssigkeitskanal 106 gelangt das Kühlmittel schließlich wieder in den Vorlauf und damit in das Air cooler in Fig. 1 is then to modify accordingly. About the coolant channel 106, the coolant finally returns to the flow and thus into the
Verteilerrohr 101, das die Kühlflüssigkeit zu den IGBT 103 weiterleitet . Oberhalb des Verteilerrohrs 101 bzw. 102 befindet sich ein Entlüftungsventil 110 bzw. 111. Das Entlüftungsventil 110 bzw. III wird mechanisch durch eine Membran gesteuert, die bei Austrocknung sich zusammenzieht und bei Berührung mit Wasser sich wieder ausdehnt. Manifold 101, which forwards the cooling liquid to the IGBT 103. Above the distributor tube 101 or 102 there is a venting valve 110 or 111. The venting valve 110 or III is mechanically controlled by a membrane which when dehydrated contracts and expands again when in contact with water.
Das Entlüftungsventil 110 bzw. 111 kann jeweils in beiden Verteilerrohren 101 und 102 installiert sein. Die The vent valve 110 or 111 may be installed in both manifolds 101 and 102, respectively. The
Funktionsweise des Entlüftungsventils ist aber auch noch gewährleistet, wenn es entweder in dem Verteilerrohr 101 oder in dem Verteilerrohr 102 installiert ist. Die folgende Beschreibung bezieht sich nur auf das Entlüftungsventil 110.  Operation of the vent valve is also guaranteed if it is installed either in the manifold 101 or in the manifold 102. The following description refers only to the vent valve 110.
Gelangt nun Luft in den Kühlkreislauf, so wird die Luft in Form von Luftbläschen solange durch den Kühl kreislauf transportiert, bis diese in das Verteilerrohr 101 gelangt. Dabei ist der Strömungsquerschnitt des Verteilerrohrs 101 größer als der Strömungsquerschnitt des If air now enters the cooling circuit, the air in the form of air bubbles is transported through the cooling circuit until it reaches the distributor tube 101. The flow cross section of the distributor tube 101 is larger than the flow cross section of the
Kühlflüssigkeitskanals 104. Dies bewirkt, dass die Coolant channels 104. This causes the
St ömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels im Verteilerrohr 101 kleiner ist als die Strömungsgeschwindigkeit des Flow velocity of the coolant in the manifold 101 is smaller than the flow rate of the
Kühlmittels im Kühlflüssigkeitskanal 104, sodass die Coolant in the coolant channel 104, so that the
Luftbläschen genügend Zeit haben, in dem Verteilerrohr 101 zum Entlüftungsventil 110 aufzusteigen.  Air bubbles have enough time to ascend in the manifold 101 to the vent valve 110.
Gleiches gilt auch für das Entlüftungsventil 111 im The same applies to the vent valve 111 in
Verteilerrohr 102 mit dem angeflanschten Distributor tube 102 with the flanged
Kühlflüssigkeitskanal 105. Coolant channel 105.
Das Verteilerrohr 102 kann mit Bezug auf den The manifold 102 may with reference to the
Schwerkraftvektor auf gleicher Höhe wie das Verteilerrohr 101 montiert sein, so wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Diese Montageweise ist allerdings nicht zwingend erforderlich. Eine andere bevorzugte Montageweise besteht beispielsweise darin, dass das Verteilerrohr 102 mit Bezug auf den Schwerkraftvektor höher montiert ist als der höchst Gravity vector be mounted at the same height as the manifold 101, as shown in Fig. 1. However, this method of installation is not absolutely necessary. Another preferred method of assembly is, for example, that the manifold 102 with respect to the Gravity vector is mounted higher than the highest
montierte Wärmetauscher. Auf diese Weise können mounted heat exchangers. That way you can
Luftbläschen, die sich in den Wärmetauschern gesammelt haben oder dort bilden, wirkungsvoll bis in das Air bubbles that have collected in the heat exchangers or form there, effectively into the
Verteilerrohr 102 transportiert werden und dort über das Entlüftungsventil 111 entlüftet werden. Manifold tube 102 are transported and vented there via the vent valve 111.
Für die Ausgestaltung des Entlüftungsventils gibt es mehrere Möglichkeiten. Beispielsweise kann das For the design of the vent valve there are several possibilities. For example, that can
Luftablassventil von einer Membran gesteuert werden, die sich im trockenen Zustand zusammenzieht und damit das Controlled by a diaphragm, which contracts in the dry state and thus the
Luftablassventil öffnet und die sich bei Berührung mit Wasser ausdehnt und das Luftablassventil schließt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass das Luftablassventil mit einer Steuereinheit verbunden ist und von der Air release valve opens and expands when in contact with water and closes the air release valve. Another possibility is that the air release valve is connected to a control unit and from the
Steuereinheit zum Ablassen von Luft geöffnet wird, sobald ein Lufteinschluss-Sensor innerhalb des Verteilerrohrs in der Nähe des Luftablassventils eine Luftmenge feststellt, die ein vorgegebenes Maß überschreitet. Der Lufteinschluss- Sensor kann beispielsweise auf dem Signal eines Schwimmers basieren, dessen Pegel ausgewertet wird.  The air release control unit is opened as soon as an air-entrapment sensor within the manifold near the air-bleed valve detects an amount of air exceeding a predetermined level. For example, the trapped air sensor may be based on the signal from a swimmer whose level is being evaluated.
Unterhalb des Verteilerrohrs 101 bzw. 102 befindet sich eine Heizung 112. Die Heizung 112 kann beispielsweise aus einer in das Verteilerrohr 110 führenden Heizspirale bestehen, die bei Bedarf entsprechend mit Strom Below the distribution pipe 101 or 102 is a heater 112. The heater 112 may for example consist of a leading into the manifold 110 heating coil, which, if necessary, with electricity
beaufschlagt wird. is charged.
Die Heizung 112 dient dem Zweck, dass der Wärmetauscher über eine Erwärmung des Kühlmittels bei Bedarf erwärmbar ist, und zwar für den Fall, dass einer oder mehrere The heater 112 serves the purpose that the heat exchanger can be heated by heating the coolant if necessary, in the event that one or more
Wärmetauscher ausnahmsweise einmal eine niedrigere Heat exchanger exceptionally once a lower
Temperatur als die Umgebungsluft annehmen. Zur Detektierung dieses Ausnahmefalls sind außerdem entsprechende Temperature as the ambient air assume. For detection this exception is also appropriate
Temperatursensoren vorgesehen. Temperature sensors provided.
Der besagte Ausnahmefall tritt in der Regel dann ein, wenn das Stromumrichtermodul nicht in Betrieb ist (zum Beispiel wegen Wartungsarbeiten) und gleichzeitig die Umgebungsluft sich aufgrund von äußerer Sonneneinstrahlung erwärmt (zum Beispiel in den Morgenstunden) . Für diesen Fall bildet sich Kondenswasser an dem Wärmetauscher 103 sowie auch an den Kühlkörpern der IGBT und an den IGBT selber, was zu The said exceptional case usually occurs when the power converter module is not in operation (for example for maintenance) and at the same time the ambient air is warmed up due to external solar radiation (for example in the morning hours). For this case, condensation forms on the heat exchanger 103 as well as on the heat sinks of the IGBT and the IGBT itself, which is too
Korrosion oder aber auch zu der Zerstörung von elektrischen Komponenten führen kann.  Corrosion or even lead to the destruction of electrical components.
Wird somit der besagte Ausnahmefall durch eine Thus, the said exceptional case by a
Steuereinheit detektiert, dann schaltet die Steuereinheit die Heizung 112 ein. Dies bewirkt nunmehr, dass die Detected control unit, then the control unit turns on the heater 112. This now causes the
Wärmetauscher 103 nicht gekühlt, sondern vielmehr leicht erwärmt werden, sodass eine Kondensatbildung verhindert werden kann. Zur Aufrechterhaltung des zirkulierenden Heat exchanger 103 is not cooled, but rather easily heated, so that condensation can be prevented. To maintain the circulating
Kühlmittels (bzw. jetzt Wärmemittels) ist die Pumpe 108 insbesondere dann nicht erforderlich, wenn die Heizung sich mit Bezug auf den Kühlkreislauf (bzw. jetzt Coolant (or now heat medium), the pump 108 is not required in particular when the heater with respect to the cooling circuit (or now
Wärmekreislaufs) in einer Steigleitung befindet. Fig. 2 zeigt ein Prinzipschaltbild des gemäß Fig. 1 Heat cycle) is located in a riser. FIG. 2 shows a schematic circuit diagram of FIG. 1
verwendeten Wärmetauschers. used heat exchanger.
Die Komponenten 203, 204 und 205 entsprechen den The components 203, 204 and 205 correspond to the
Komponenten 103, 104 und 105 aus Fig. 1. Components 103, 104 and 105 of FIG. 1.
An der Rückseite des Wärmetauschers 203 ist der Kühlkörper eines IGBT angeflanscht. Innerhalb des Wärmetauschers 203 sind zwei Verteiler 201 und 202 vorgesehen, zwischen denen parallele Rohrleitungen 206 verschaltet sind. Die parallelen Rohrleitungen 206 erweitern durch ihre Parallelschaltung den effektiven Strömungsquerschnitt des Wärmetauschers 203 und verhindern gleichzeitig das Ausbilden von turbulenten Strömungen. At the rear of the heat exchanger 203, the heat sink of an IGBT is flanged. Within the heat exchanger 203, two manifolds 201 and 202 are provided, between which parallel pipes 206 are connected. The parallel pipes 206 extend through their parallel connection the effective flow cross section of the heat exchanger 203 and at the same time prevent the formation of turbulent flows.
Vorzugsweise sind in dem Wärmetauscher gerade so viele Rohrleitungen parallel geschaltet sind, dass der Preferably, in the heat exchanger just as many pipes are connected in parallel, that the
Druckverlust am Wärmetauscher nicht mehr als 10% des Pressure drop at the heat exchanger not more than 10% of the
Arbeitsdrucks des Kühlkreislaufs beträgt. Working pressure of the cooling circuit is.
Insgesamt wird durch die Parallelschaltung der Overall, the parallel connection of the
Rohrleitungen innerhalb des Wärmetauschers 103 Pipelines within the heat exchanger 103rd
sichergestellt, dass der Wärmetauscher 103 mit Bezug auf den gesamten Kühlkreislauf keinen zu großen ensures that the heat exchanger 103 with respect to the entire cooling circuit is not too large
Strömungswiderstand darstellt, sodass die Represents flow resistance, so that the
Temperaturdifferenz am Wärmetauscher 103 zwischen dem Temperature difference at the heat exchanger 103 between the
Vorlauf 104 und dem Rücklauf 105 auf einem niedrigen Maß gehalten werden kann. Flow 104 and the return 105 can be kept to a low level.
Vorzugsweise liegt die Temperaturdifferenz stets unterhalb von 10 Kelvin, besonders vorzugsweise unterhalb von 5 Kelvin. Durch die niedrige Temperaturdifferenz ist wiederum gewährleistet, dass der betreffende IGBT gleichmäßig gekühlt wird, was die Betriebsdauer erhöht und die Preferably, the temperature difference is always below 10 Kelvin, more preferably below 5 Kelvin. The low temperature difference in turn ensures that the IGBT in question is cooled evenly, which increases the operating time and the
Ausfallwahrscheinlichkeit verringert . Reduced probability of failure.
Die Einhaltung einer vorgegebenen Temperaturdifferenz am Wärmetauscher ist also besonders erstrebenswert. Daher besteht der Bedarf nach einer technischen Lehre, die es erlaubt, auf einfache Weise und ohne aufwendige Versuche eine Kühlvorrichtung zu schaffen, mit der die vorgegebene Temperaturdifferenz am Wärmetauscher von vornherein The maintenance of a predetermined temperature difference at the heat exchanger is therefore particularly desirable. Therefore, there is a need for a technical teaching that allows to create a simple way and without costly attempts a cooling device with which the given Temperature difference at the heat exchanger from the outset
einzuhalten ist. is to be adhered to.
Eine derartige technische Lehre ist erfindungsgemäß Such a technical teaching is according to the invention
zumindest dann möglich, wenn von einer Topologie und von den Randbedingungen der Kühlvorrichtung ausgegangen werden kann, wie diese in Fig. 1 dargestellt und beschrieben sind. Dies bedeutet im Einzelnen: at least possible if it can be assumed that a topology and the boundary conditions of the cooling device, as shown and described in Fig. 1. This means in detail:
• Die Kühlvorrichtung ist für die Kühlung von sehr hohen Verlustleistungen vorgesehen (pro Wärmetauscher größer als 1 Kilowatt) . • The cooling device is designed for cooling of very high power losses (per heat exchanger greater than 1 kilowatt).
• Ein Wärmetauscher ist für die Kühlung von einem • A heat exchanger is for the cooling of one
Leistungsbauelement (z.B. IGBT) vorgesehen.  Power device (e.g., IGBT).
• Im Vorlauf und im Rücklauf befindet sich jeweils ein Verteilerrohr, dessen Strömungsquerschnitt jeweils größer ist als die Strömungsquerschnitte der zu- und abführenden Kühlflüssigkeitskanäle . • In each of the flow and the return, there is a distributor pipe whose flow cross-section is larger than the flow cross-sections of the incoming and outgoing cooling liquid channels.
Der Kühler ist in der Lage, das Kühlmedium mit der anfallenden Gesamtverlustleistung zu kühlen. The cooler is able to cool the cooling medium with the resulting total power loss.
• Die Pumpe ist in der Lage, in dem Kühlkreislauf mit überbrückten Wärmetauschern (d.h. die Wärmetauscher werden zu diesem Zweck herausgenommen) einen • The pump is capable of operating in the cooling circuit with bridged heat exchangers (i.e., the heat exchangers are removed for this purpose)
vorgegebenen Volumenstrom V aufrechtzuerhalten.  maintain predetermined volume flow V.
Der gesuchte Wärmetauscher soll mit der Verlustleistung Pv die Kühlflüssigkeit aufheizen. Für ein Delta-Volumen Δν der Kühlflüssigkeit innerhalb des Zeitabschnitts At gilt damit die folgende Energiebilanz: Pv-At = V-At-p-c-ΔΤ mit Verlustleistung The sought-after heat exchanger should heat the coolant with the power loss P v . For a delta volume Δν of the cooling liquid within the time period At, the following energy balance is valid: Pv-At = V-At-pc-ΔΤ with power dissipation
At Zeitabschnitt  At time period
V Volumenstrom der Kühlflüssigkeit  V Volume flow of the cooling liquid
P Dichte der Kühlflüssigkeit  P Density of the coolant
c spezifische Wärmekapazität der Kühlflüssigkeit c specific heat capacity of the cooling liquid
ΔΤ Temperaturdifferenz am Wärmetauscher ΔΤ temperature difference at the heat exchanger
Die Erkenntnis der Erfindung besteht darin, dass mit den oben genannten Randbedingungen und mit einem The realization of the invention is that with the above boundary conditions and with a
plattenförmigen Wärmetauscher die Temperaturdifferenz ΔΤ tatsächlich eingehalten werden kann, wenn in dem plate-shaped heat exchanger, the temperature difference .DELTA.Τ can actually be met, if in the
Wärmetauscher mehrere Rohrleitungen in geeigneter Weise parallel geschaltet werden. In einer sehr begrenzten Anzahl von Versuchen kann daher der gesuchte Wärmetauscher Heat exchanger several pipes are connected in parallel in a suitable manner. In a very limited number of experiments, therefore, the sought heat exchanger
geschaffen werden, indem mehrere Rohrleitungen in dem be created by placing several pipelines in the
Wärmetauscher derart parallel geschaltet werden, dass die Temperaturdifferenz am Wärmetauscher das vorgegebene Maß ΔΤ gemäß der obigen Formel von Heat exchangers are connected in parallel so that the temperature difference at the heat exchanger the predetermined amount ΔΤ according to the above formula of
ΔΤ = ΔΤ =
V-p-c nicht überschreitet. Im Folgenden wird ein Zahlenbeispiel angegeben (der  V-p-c does not exceed. The following is a numerical example (the
Einfachheit halber für das Kühlmedium Wasser bei 20°C) :  For the sake of simplicity, for the cooling medium water at 20 ° C):
Kühlmedium: Wasser Cooling medium: water
Anzahl der IGBT: 3 Number of IGBTs: 3
Verlustleistung pro IGBT: 1 kW Volumenstrom insgesamt: 0,15 1/s Power loss per IGBT: 1 kW Total flow: 0.15 1 / s
Volumenstrom pro Wärmetauscher: 0,05 1/s Volume flow per heat exchanger: 0.05 1 / s
Dichte von Wasser bei 20°C: 0,998 kg/1 Density of water at 20 ° C: 0.998 kg / 1
spez. Wärmekapazität von Wasser bei 20°C: 4182 J/(kg-K) Temperaturunterschied pro Wärmetauscher: 4,8 Kelvin spec. Heat capacity of water at 20 ° C: 4182 J / (kg-K) Temperature difference per heat exchanger: 4.8 Kelvin

Claims

Patentansprüche claims
Kühlvorrichtung für ein Stromumrichtermodul, mit einem flüssiges Kühlmittel führenden Cooling device for a power converter module, carrying a liquid coolant
Kühlflüssigkeitskanal , der zu einem Kühlkreislauf verschaltet ist, mit einem Wärmetauscher, der in dem Kühlkreisla verschaltet ist und an dem wärmeleitend ein  Coolant channel, which is connected to a cooling circuit, with a heat exchanger, which is connected in the Kühlkreisla and on the thermally conductive one
Leistungsbauelement gekoppelt ist, und mit einem Kühler zum Kühlen des flüssigen Kühlmittels der in dem Kühlkreislauf verschaltet ist, wobei in dem Wärmetauscher mehrere Rohrleitungen derart parallel geschaltet sind ist, dass die Power device is coupled, and with a cooler for cooling the liquid refrigerant is connected in the cooling circuit, wherein in the heat exchanger a plurality of pipes is connected in parallel such that the
Temperaturdifferenz am Wärmetauscher ein vorgegebenes Maß nicht überschreitet . Temperature difference at the heat exchanger does not exceed a predetermined level.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Pumpe in den Kühlkreislauf zur Aufrechterhaltung der Cooling device according to claim 1, wherein a pump in the cooling circuit for maintaining the
Zirkulation des Kühlmittels geschaltet ist Circulation of the coolant is connected
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 2, wobei das Leistungsbauelement ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (englisch insulated-gate bipolar transistor, kurz IGBT) ist. Cooling device according to one of claims 1 - 2, wherein the power device is an insulated gate bipolar transistor (IGBT).
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3, wobei das Stromumrichtermodul in einer Windenergieanlage oder Solaranlage zur Netzeinspeisung verschaltet ist und eine Vielzahl von Leistungsbauelementen aufweist, die jeweils mit einem Wärmetauscher und einem Cooling device according to one of claims 1 - 3, wherein the power converter module is connected in a wind turbine or solar system for feeding in mains and has a plurality of power devices, each with a heat exchanger and a
Kühlflüssigkeitskanal gekoppelt sind.  Coolant channel are coupled.
5. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 4, wobei das Kühlmittel ein asser-Ethanol-Gemisch ist. 5. Cooling device according to one of claims 1 - 4, wherein the coolant is an asser-ethanol mixture.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 5, wobei in Strömungsrichtung des flüssigen Kühlmittels gesehen hinter dem Kühler und vor dem Wärmetauscher in den Kühlkreislauf ein langgestrecktes Verteilerrohr geschaltet ist, dessen Strömungsquerschnitt größer ist als der Strömungsquerschnitt des Cooling device according to one of claims 1-5, wherein seen in the flow direction of the liquid coolant behind the radiator and before the heat exchanger in the cooling circuit, an elongated manifold is connected, whose flow cross-section is larger than the flow cross-section of
Kühlflüssigkeitskanals und das zum Schwerkraftvektor im Wesentlichen parallel montiert ist.  Coolant channels and that is mounted parallel to the gravity vector substantially.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 6, wobei wobei in dem Wärmetauscher gerade so viele Cooling device according to one of claims 1-6, wherein in the heat exchanger just so many
Rohrleitungen parallel geschaltet sind, dass die  Pipelines are connected in parallel, that the
Temperaturdifferenz am Wärmetauscher 5 Kelvin nicht überschreitet .  Temperature difference at the heat exchanger does not exceed 5 Kelvin.
8. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 7, wobei wobei in dem Wärmetauscher gerade so viele 8. Cooling device according to one of claims 1-7, wherein being in the heat exchanger just as many
Rohrleitungen parallel geschaltet sind, dass der  Pipelines are connected in parallel, that of
Druckverlust am Wärmetauscher nicht mehr als 10% des Pressure drop at the heat exchanger not more than 10% of the
Arbeitsdrucks des Kühlkreislaufs beträgt. Working pressure of the cooling circuit is.
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