EP3777493A1 - Cooling device for an electrical switching installation and method for operating a cooling device of this kind - Google Patents

Cooling device for an electrical switching installation and method for operating a cooling device of this kind

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Publication number
EP3777493A1
EP3777493A1 EP19726917.8A EP19726917A EP3777493A1 EP 3777493 A1 EP3777493 A1 EP 3777493A1 EP 19726917 A EP19726917 A EP 19726917A EP 3777493 A1 EP3777493 A1 EP 3777493A1
Authority
EP
European Patent Office
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coolant
temperature
cooling
mass flow
power loss
Prior art date
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Pending
Application number
EP19726917.8A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Hans-Georg Schrott
Stefan Hans Werner Schönewolf
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.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP3777493A1 publication Critical patent/EP3777493A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/20927—Liquid coolant without phase change
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    • H05K7/20218—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a liquid coolant without phase change in electronic enclosures
    • H05K7/20281—Thermal management, e.g. liquid flow control
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
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    • G01K1/026—Means for indicating or recording specially adapted for thermometers arrangements for monitoring a plurality of temperatures, e.g. by multiplexing
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    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/20945—Thermal management, e.g. inverter temperature control

Definitions

  • the invention relates to a cooling device for an electrical cal system, in particular for an inverter system of an electrical system of a rail vehicle, according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for operating such adeein direction according to the preamble of patent claim.
  • an electrical system of a rail ve hicle in the railway sector fall on power loss sources such as power semiconductors correspondingly high losses in the form of thermal energy, ie heat.
  • Semiconductor field effect transistor a suitable heat dissipation is required. This is usually done via circulating in cooling circuits cooling media in the liquid or gaseous state, which absorb and transport away the thermal energy.
  • a major problem in this case is a failure of theisserein direction or the cooling circuit, so that the mass flow of the coolant abruptly stops and thus no more heat me is dissipated from the power loss sources. As a result, damage to the components to be cooled may occur.
  • FIG. 1 is a schematic view of adeein direction for an electrical system, in particular for an inverter system of a rail vehicle recognizable, wel chem of a cooling circuit, a correspondingdeffenka- can be seen in sections.
  • a not visible here heat exchanger for cooling the coolant is arranged, which can be flowed around, for example, in a rail vehicle from the ambient air as the egg nen material flow, by means of which the Mas sestrom of the coolant as a second stream is in heat exchange.
  • the power loss source 14 is, for example, an IGBT module (Insulated Gate Bipolar Transistor) of the power converter system. With arrows 16 while the entry of a thermal energy of heat from the power loss source 14 is symbolized in the heat sink 12.
  • Is the power loss ie the entry of thermal energy or heat of the loss power source 14 known in the coolant, so from the two temperature sensors 20, 22 determined Tempe raturdifferenz before and after the power loss source 14 of the mass flow of the coolant can be determined, if the heat capacity of the coolant is known. If the calculated value of the current falls below a certain limit value, a fault can be assumed.
  • IGBT power semiconductor
  • MOSFET power semiconductor
  • the determination of the respective tempera tures of the coolant before and after the power loss source 14 is sensitive to temperature jumps in the cooling body 12 and the passage 24 entering cooling means, for example, when the temperature of thedemit means at an entrance of the rail vehicle in a tunnel as a result of the then changed heat exchanger environment abruptly changed.
  • a heating element is provided, which is cooled by the liquid medium.
  • a flow rate of the liquid medium flowing through the flow passage is estimated based on a delay required to detect a change in temperature caused by change in a heat generation state of the heating element by the plurality of temperature sensors.
  • DE 10 2013 219 789 A1 discloses a device for determining a flow velocity of a coolant through a cooling channel.
  • the cooling channel is configured to cool an inverter.
  • At least one temperature sensor is provided at least at one point of the cooling channel for determining the temperature of the coolant.
  • the determination of the flow velocity of the coolant through the cooling channel takes place on the basis of the determined temperature at the at least one point and / or on the basis of a heat output determined by means of the measuring unit.
  • Object of the present invention is therefore to provide a cooling l adopted for an electrical system, in particular for an inverter system of an electrical system of a rail vehicle, as well as to provide a method for operating such a cooling device, by means of which realize a simple and cost-effective solution for failure detection On the other hand, which is extremely unsusceptible to a faulty or unintentional triggering in actually non-existent failure of the Mas sestroms of the coolant.
  • the cooling device for an electrical switchgear, in particular for an inverter system of an electrical installation of a rail vehicle, comprises a cooling path in which at least one power loss source is integrated or arranged therein and which is passable by a liquid or gaseous coolant.
  • the cooling device comprises a Tempe ratursensorik for detecting a failure of a mass flow of the coolant and thus for detecting a failure of the entire cooling device, wherein the temperature sensor comprises two spaced apart in the transport direction of the coolant in the cooling path integrated temperature sensors, wel che according to the invention in the transport direction of the coolant before a passage of the mass flow of the coolant through a coverage area of the cooling path with the power loss source are arranged.
  • the coverage area of loss power source and cooling path is defi ned as the area in which the main heat flow from the heat source to the coolant is performed in normal operation.
  • the main advantage of such a measurement is that in a simple manner only a temperature difference between the two temperature measuring points in larger and smaller distance before entering the passage of the mass flow of the coolant through the coverage area of the cooling path with the power loss source must be evaluated, with a loss of mass flow is always present when the temperature difference is significantly higher than normal operation in operation and in transient processes, the temperature rise of the coolant in the vicinity of the power loss source the temperature rise at the opposite of the loss of power source remote detection point of the temperature of the coolant leads. Both parts of these conditions can be checked in a simple manner with a suitable, superordinate siege control. In this case, in contrast to the prior art, no elaborate modifications of the thermal behavior of the coolant or of the overall system and no knowledge of the actual power loss in the power loss source in the coolant are necessary in order to implement this recognition.
  • the temperature sensor which is more remote from the passage of the current through the overlapping area of the cooling path with the power loss, first detects a rise in temperature before this temperature increase can also be detected by a near-term sensor. can be distinguished from a failure of the mass flow of the coolant, in which the kor respond Schlierende temporal temperature gradient is always detected first by the, the coverage area facing, temperature sensor., As a result, a total results in a total Very cost-effective and trouble-free overall system for monitoring the mass flow of the coolant within the cooling path.
  • the cooling path is in particular part of a cooling circuit, in which a heat exchanger is integrated. Nevertheless, an open system would also be conceivable in which, for example, ambient air is blown through the cooling path by means of a fan. Then the cooling circuit is no longer properly closed (only over ambient air). A saucetau shear is then not required.
  • the one temperature sensor is arranged in the transport direction of the coolant in the region of entry of the mass flow into the heat sink and the other temperature sensor in the vicinity of the passage of the mass flow through the overlap region of the cooling path with the power loss source.
  • a computing device which is adapted to determine a Temperaturdif difference of the two detected temperatures of the coolant and to compare with a limit and ei ne detection sequence of a temperature change of the cooling means to determine at the measuring points and value with a limit to compare
  • the power loss source with egg nem integrated cooling path in the heat sink heat conductively ge coupled, for example, directly connected or integrally designed with this is, the two temperature sensors then arranged on the heat sink are.
  • Thedekör by thus ensures on the one hand for a homogeneous temperature dissipation of the thermal energy from the power loss source and allows a very fine and accurate temperature detection by means of the two temperature sensors.
  • a further advantageous embodiment of the invention also provides a plurality of power loss sources, wherein the two temperature sensors are spaced from each other in the transport direction of the coolant before passage of the Mas senstrom through a coverage area of the cooling path with one of the power loss sources are arranged.
  • the cooling path is part of a cooling circuit in which a heat exchanger is integrated.
  • a heat exchanger is integrated.
  • the method is also characterized in particular by the fact that in a simple way, respective temperature differences of the determined by means of the two temperature sensors Temperatu Ren of the coolant can be calculated and then on a simple way to determine a failure of the mass flow, for example, if a threshold value of this temperature difference is exceeded and the gradient of the temperature change of the coolant in the vicinity of the power loss source of the temperature change at the opposite of the United Lust elaboratesttle remote detection point of the tempera ture of the coolant leads.
  • the particularly advantageous advantage results that upon determination of a temporal temperature gradient, which is detected first at the temperature sensor facing away from the overflow area and inlet, from a temperature jump of the coolant as a result of the changing ambient conditions especially as a result of associated Tempe raturschwankept can be expected.
  • a temporal temperature gradient of the cover area facing away from the inlet and facing Tem temperature sensor is detected first, thus a loss of mass flow in a particularly simple manner can be distinguished from a derarti conditions temperature jump, which significantly contributes to the reliability of the system , so that unintentional or incorrect shutdowns of the entire system can be particularly easily and effectively avoided.
  • FIG same reference numerals designate the same features and functions. Show it: 1 shows a schematic view of a cooling device for an inverter system of an electrical system of a rail vehicle according to the prior art;
  • FIG. 2 shows a schematic view of a cooling device for an inverter system of an electrical system of a rail vehicle according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a schematic view of the cooling device according to FIG.
  • FIG 2 based on which the operation is indicated in case of failure of a mass flow of a coolant of theméeinrich device
  • FIG. 4 shows a diagram of the temperatures of a temperature sensor detected over time, wherein a temperature difference of the cooling means can be detected by means of a temperature difference;
  • FIG. 6 shows a schematic view of a cooling device for an inverter system of an electrical system of a rail vehicle according to a further embodiment, in which the failure of several sources of power loss can be determined via a sensor system.
  • the power loss source 30 is for this purpose connected to a correspondingly good thermal conductivity heatsink 32, wherein arrows 34, a loss of power input or heat transfer of the power source 30 from the loss of power generated thermal energy in thedekör is symbolized by 32.
  • the loss loss source 30 and the heat sink 32 are formed separately.
  • the components are designed in one piece.
  • the power loss source 30 may include an integrated heat sink 32.
  • cooling body 32 is penetrated by a cooling channel 36, which itself is part of a cooling path 39 of the cooling circuit 38.
  • cooling circuit 38 symbolically indicated in Figure 2 cooling circuit 38 are a dressingtau exchanger 40 and a pump 42 is integrated, by means of which a liquid or gaseous cooling medium or cooling medium is circulated within the cooling circuit 38 relation ship as circulated.
  • a pump 42 instead of a pump 42, of course, another circulation device would be conceivable.
  • Heat stored in the coolant, which has been absorbed by the loss entry of the loss supply power source 30, is transferred via the heat exchanger 40 to a second material flow in a manner known per se.
  • this second material flow is formed by the ambient air, which is accelerated, for example, by means of a fan and then relates to the heat exchanger 40.
  • the flow through the material or the mass flow of the coolant circulating in the cooling circuit 38 cools.
  • the cooled in the heat exchanger 40 refrigerant enters within the cooling path 39 in the region of an inlet 44 of the mass flow in the cooling channel 36 provided within the cooling body 32 a.
  • the cooling path 39 the coolant then enters a length range or in a passage 48 of the mass flow within the cooling channel 36 in the coverage area of the cooling circuit 38 with the power loss source 30.
  • the coverage area of power loss source 30 and cooling circuit 38 and cooling passage 39 is defined as the area in which the main heat flow from the heat source to the coolant is performed in normal operation.
  • a temperature sensor is part of the cooling device, which in the present case comprises a first temperature sensor 52 and a second temperature sensor 54.
  • the one, first temperature sensor 52 is In this case - relative to the transport direction 46 of the coolant - in the region of the inlet 44 of the mass flow in the cooling medium body 32 is arranged.
  • the second temperature sensor 54 is in the vicinity or immediately before the passage 48 of the mass flow through the overlap region of the cooling circuit 38 and cooling paths 39 with the loss of power source 30 is arranged.
  • the temperature sensors 52, 54 are thus - with respect to the transport direction 46 of the coolant - before the passage 48 of the mass flow through the coverage area of the cooling circuit 38 with the loss power source 30 positioned.
  • the two Tem perature sensors 52, 54 may also be arranged outside the heat sink 32 directly in corresponding lines of the cooling circuit 38.
  • the present arrangement of the temperature sensors 52, 54 within the heat sink 32 is particularly advantageous since there is a good thermal coupling of the sensors to the cooling medium.
  • the method for operating the cooling device now provides that with circulating coolant by means of the two temperature sensors 52, 54, the respective temperature on A enters 44 or before the passage 48 is determined.
  • corresponding temperature measuring curves A, B usually run constantly and parallel to each other over time.
  • the temperature measurement curve A of the Tempe ratursensors 52 at the inlet 44 detected temperature is there at usually lower than the temperature curve B of the area in front of the passage 48 by means of the temperature sensor 54 detected temperature. This is related to the fact that at the measuring point of the second temperature sensor 54 of the loss of power input through the power loss source 30 causes in this area of the heat sink 32 relationship, the flowing cooling medium in this area has a slightly elevated temperature.
  • the temperature A corresponds demzufol ge the coolant inlet temperature.
  • the temperature B measured by the temperature sensor 54 is only slightly higher than the temperature A, since a part of power source 30 propagates registered power against the Strö flow direction of the coolant and so the temperature, which is represented by the temperature measurement curve B, slightly increased.
  • a temperature difference can thus be determined by subtracting the value of the temperature measurement curve B by the value of the temperature measurement curve A. In nor normal operation of the cooling device thus a low positive temperature difference DT is determined.
  • the temperature difference DT can be continuously checked by means of an evaluation unit.
  • the temperature difference DT can be compared in a computing unit with a limit value which defines a failure of the mass flow.
  • a limit value which defines a failure of the mass flow.
  • a signal about the failure of the mass flow of the coolant can be transmitted to the system. Accordingly, a failure of the coolant mass flow is always present when the temperature difference DT between the temperature sensor 54 and the temperature sensor 52 is significantly higher than during normal operation and the tempera ture rise in the region of the temperature sensor 54 the tempera ture rise in the region of the temperature sensor 52 leads. Both parts of this condition can be checked with a suitable superimposed control.
  • FIG. 5 shows a further diagram of the temperature of the two temperature measuring curves A, B over the time t.
  • two temperature jumps 56, 58 at each time points are entered in the diagram.
  • Such temperature jumps 56, 58 are ent, for example, in a significant change in the conditions in the heat exchanger 40, namely, for example, when the rail vehicle enters a tunnel in wel chem a significantly different temperature prevails than before. Is therefore the coolant circulation and the circulation of the mass flow active, and there is a jump in temperature, for example in the flow of the heat exchanger, ie the cooling air, so this leads accordingly to a temperature jump of the coolant.
  • FIG 6 finally shows another embodiment of the cooling device in a schematic view, wherein the cooling channel 36 of the cooling circuit 38 is extremely schematically indicated.
  • a cooling body 32 is arranged in the form of a cooling plate, on which in turn two power loss sources 30 are arranged, for example in the form of respective power semiconductors.
  • the respective temperature sensors 52, 54 which are arranged correspondingly at a greater or smaller distance to each respective power loss source 30. It can be seen in particular that even with the use of two Ver loss sources 30 only a temperature sensor with a pair of temperature sensors 52, 54 is required, by means of which then both the failure of the transport direction 46 in the direction of the cooling medium considered front and rear power loss source 30 are detected can. With others Words is therefore when using two power loss sources 30 thus only a pair of temperature sensors 52, 54 he required.

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Abstract

The invention relates to a cooling device for an electrical installation, in particular for a converter system of an electrical installation of a rail vehicle, comprising a cooling path (39) in which at least one power loss source (14) is arranged and through which a coolant can flow, and comprising a temperature sensor system for detecting a drop in a mass flow of the coolant, which temperature sensor system comprises at least two temperature sensors (52, 54) which are integrated in the cooling path (39) at a distance from one another in the transportation direction of the coolant, wherein the two temperature sensors (52, 54) are arranged upstream, in the transportation direction of the coolant, of a passage (24) of the mass flow of the coolant through an overlap region of the cooling path (39) with the power loss source (14). Furthermore, the invention relates to a method for operating a cooling device of this kind.

Description

Beschreibung description
Kühleinrichtung für eine elektrische Schaltanlage und Cooling device for an electrical switchgear and
Verfahren zum Betreiben einer solchen Kühleinrichtung Method for operating such a cooling device
Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für eine elektri sche Anlage, insbesondere für ein Umrichtersystem einer elektrischen Anlage eines Schienenfahrzeugs, gemäß dem Ober begriff des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Er findung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Kühlein richtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5. The invention relates to a cooling device for an electrical cal system, in particular for an inverter system of an electrical system of a rail vehicle, according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for operating such a Kühlein direction according to the preamble of patent claim.
Beim Betrieb von elektrischen Anlagen, beispielsweise von Um richtersystemen einer elektrischen Anlage eines Schienenfahr zeugs im Eisenbahnbereich, fallen an Verlustleistungsquellen wie beispielsweise Leistungshalbleitern entsprechend hohe Verluste in Form von thermischer Energie, also von Wärme, an. Um hierbei ein Überhitzen der Anlage, insbesondere der elektrischen Komponenten wie Si-IGBT ( Insulated-Gate-Bipolar- Transistor = Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) oder SiC-MOSFET (Metaloxide-Semiconductor-Field-Effect- Transistor = Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) zu vermeiden, ist eine geeignete Wärmeabfuhr erforderlich. Dies erfolgt üblicherweise über in Kühlkreisläufen zirkulierende Kühlmedien in flüssigem oder gasförmigen Zustand, welche die thermische Energie aufnehmen und abtransportieren. In the operation of electrical systems, such as Um richtersystemen an electrical system of a rail ve hicle in the railway sector fall on power loss sources such as power semiconductors correspondingly high losses in the form of thermal energy, ie heat. In order to overheat the system, in particular the electrical components such as Si-IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor = insulated gate bipolar transistor) or SiC-MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor = Metal Oxide). Semiconductor field effect transistor), a suitable heat dissipation is required. This is usually done via circulating in cooling circuits cooling media in the liquid or gaseous state, which absorb and transport away the thermal energy.
Ein großes Problem stellt hierbei ein Ausfall der Kühlein richtung beziehungsweise des Kühlkreislaufes dar, sodass der Massestrom des Kühlmittels abrupt stoppt und somit keine Wär me mehr von den Verlustleistungsquellen abgeführt wird. In folgedessen kann es zu Schäden an den zu kühlenden Komponen ten kommen. A major problem in this case is a failure of the Kühlein direction or the cooling circuit, so that the mass flow of the coolant abruptly stops and thus no more heat me is dissipated from the power loss sources. As a result, damage to the components to be cooled may occur.
Aus diesem Grund ist eine zuverlässige Überwachung des Mas senstroms des Kühlmittels unumgänglich, um bei einer Störung entsprechende Maßnahmen zur Vermeidung von Folgeschäden - wie beispielsweise das Abschalten des Umrichtersystems - ergrei- fen zu können. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass durch die Steigerung der Leistungsdichte in derartigen Verlustleis tungsquellen wie Umrichtern eine kontinuierliche und zuver lässige Abfuhr der thermischen Energie an weiterer Bedeutung gewinnt . For this reason, a reliable monitoring of the mass flow of the coolant is essential to take appropriate measures to prevent consequential damage - such as the shutdown of the inverter system - in case of failure. to be able to. It should be noted that by increasing the power density in such sources of power loss as converters, a continuous and reliable dissipation of the thermal energy gains further importance.
Bei einer leistungsstarken und zuverlässigen Abfuhr der an fallen thermischen Energie beziehungsweise Wärme ist es über dies erforderlich, dass fehlerhafte oder unbeabsichtigte Aus fälle in Form von vermeintlichen, jedoch tatsächlich nicht vorhandenen Unterbrechungen des Massestroms des Kühlmittels unbedingt vermieden werden sollen, um eine hohe Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der elektrischen Anlage, beispielsweise des darin enthaltenen Umrichtersystems, zu erhalten. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass gerade sprunghafte Temperaturän derungen des in dem Kühlkreislauf zirkulierenden Kühlmittels zu derartigen fehlerhaften und unbeabsichtigten Auslösungen führen können, sofern als Detektionsprinzip für eine Erken nung der Unterbrechung des Massenstroms des Kühlmittels eine oder mehrere Temperaturmessungen herangezogen werden. Im Bahnbereich entstehen derartige sprunghafte Temperaturände rungen beispielsweise bei plötzlichen Änderungen der Umge bungsbedingungen, zum Beispiel bei der Einfahrt eines Schie nenfahrzeugs in einen Tunnel, sodass der in einem Wärmetau scher den Massenstrom des Kühlmittels kühlende weitere Stoff strom - beispielsweise den Wärmetauscher durchströmende Kühl luft - abrupt eine andere Temperatur aufweist, die demzufolge zum beschriebenen Temperatursprung des anderen Stoffstroms des Wärmetauschers, nämlich des Massenstroms des Kühlmittels, führt . In a powerful and reliable dissipation of falling thermal energy or heat, it is about this required that erroneous or unintentional From cases in the form of supposed, but actually non-existent interruptions of the mass flow of the coolant should be avoided at all high availability and reliability the electrical system, for example, the converter system contained therein to obtain. It should be noted that just sudden Temperaturän changes of the circulating in the cooling circuit coolant can lead to such erroneous and unintentional tripping, if as a detection principle for Erken tion of interruption of the mass flow of the coolant one or more temperature measurements are used. In the railway sector arise such sudden Temperaturände ments, for example, sudden changes in ambient conditions, for example, when entering a rail nenfahrzeugs in a tunnel, so that in a Wärmetau shear the mass flow of the coolant cooling further material flow - for example, the heat exchanger flowing through the cooling air - abruptly has a different temperature, which consequently leads to the described temperature jump of the other material flow of the heat exchanger, namely the mass flow of the coolant.
Gemäß dem in FIG 1 dargestellten Stand der Technik werden bislang mehrere Möglichkeiten in Betracht gezogen, um den Ausfall des Massenstroms des Kühlmittels zu erkennen. In FIG 1 ist hierbei in einer schematischen Ansicht eine Kühlein richtung für eine elektrische Anlage, insbesondere für ein Umrichtersystem eines Schienenfahrzeugs erkennbar, bei wel chem von einem Kühlkreislauf ein entsprechender Kühlmittelka- nal ausschnittsweise erkennbar ist. Innerhalb des Kühlkreis laufs ist dabei ein hier nicht erkennbarer Wärmetauscher zur Abkühlung des Kühlmittels angeordnet, welcher beispielsweise bei einem Schienenfahrzeug von der Umgebungsluft als dem ei nen Stoffstrom umströmt werden kann, mittels welchem der Mas sestrom des Kühlmittels als zweiter Stoffstrom in Wärmeaus tausch steht. Ein Kühlkanal durchsetzt im vorliegenden Fall einen Kühlkörper 12, welcher seinerseits mit einer Verlust leistungsquelle 14 verbunden beziehungsweise thermisch gekop pelt ist. Bei der Verlustleistungsquelle 14 handelt es sich beispielsweise um ein IGBT-Modul ( Insulated-Gate-Bipolar- Transistor = Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) des Umrichtersystems. Mit Pfeilen 16 ist dabei der Eintrag einer thermischen Energie von Wärme aus der Verlustleistungs quelle 14 in den Kühlkörper 12 symbolisiert. According to the prior art shown in FIG. 1, several possibilities have been considered so far in order to detect the failure of the mass flow of the coolant. 1 is a schematic view of a Kühlein direction for an electrical system, in particular for an inverter system of a rail vehicle recognizable, wel chem of a cooling circuit, a corresponding Kühlmittelka- can be seen in sections. Within the cooling circuit while a not visible here heat exchanger for cooling the coolant is arranged, which can be flowed around, for example, in a rail vehicle from the ambient air as the egg nen material flow, by means of which the Mas sestrom of the coolant as a second stream is in heat exchange. A cooling channel penetrated in the present case, a heat sink 12, which in turn connected to a loss of power source 14 or thermally gekop pelt. The power loss source 14 is, for example, an IGBT module (Insulated Gate Bipolar Transistor) of the power converter system. With arrows 16 while the entry of a thermal energy of heat from the power loss source 14 is symbolized in the heat sink 12.
Der Ausfall des Massenstroms des den Kühlkanal durchströmen den Kühlmittels kann nun gemäß dem Stand der Technik bislang auf zwei verschiedene Arten ermittelt werden: zum einen sind Systeme mit einem jeweiligen Sensor 18 bekannt, mittels wel chem der Massenstrom beziehungsweise die Durchflussmenge an Kühlmittel ermittelt werden kann. Derartige Durchflusssenso ren 18 sind allerdings häufig teuer und auch relativ unzuver lässig. Zum anderen ist es bekannt, die jeweiligen Tempera tursensoren 20, 22 vor beziehungsweise hinter einer Passage 24 des Massenstroms des Kühlmittels durch einen Überdeckungs bereich des Kühlkreislaufs beziehungsweise des Kühlkanals 10 mit der Verlustleistungsquelle 14 angeordnet sind. Unter der Passage 24 ist demzufolge derjenige Längenbereich des Kühlka nals 10 zu verstehen, welcher in Überdeckung mit der Verlust leistungsquelle 14 liegt. The failure of the mass flow of the cooling channel flow through the coolant can now be determined according to the prior art in two different ways: on the one hand systems with a respective sensor 18 are known, by means wel wel the mass flow or the flow rate of coolant can be determined. However, such flow sensors 18 are often expensive and also relatively unreliable. On the other hand, it is known that the respective tempera ture sensors 20, 22 are arranged in front of or behind a passage 24 of the mass flow of the coolant through an overlap region of the cooling circuit or the cooling channel 10 with the power loss source 14. Under the passage 24, consequently, that length range of Kühlka nals 10 is to be understood, which is power source 14 in overlap with the loss.
Anhand der Temperatursensoren 20, 22 wird somit eine jeweili ge Temperatur des Kühlmittels vor Eintritt in die Passage 24 beziehungsweise nach Austritt aus dieser gemessen. On the basis of the temperature sensors 20, 22 thus a respec temperature of the coolant is measured before entering the passage 24 and after leaving the latter.
Ist der Verlustleistungseintrag, also der Eintrag an thermi scher Energie beziehungsweise Wärme der zu kühlenden Verlust- leistungsquelle 14 in das Kühlmittel bekannt, so kann aus der über die beiden Temperatursensoren 20, 22 ermittelten Tempe raturdifferenz vor und hinter der Verlustleistungsquelle 14 der Massestrom des Kühlmittels bestimmt werden, sofern die Wärmekapazität des Kühlmittels bekannt ist. Fällt der berech nete Wert des Stroms unter einen gewissen Grenzwert, ist von einer Störung auszugehen. Is the power loss, ie the entry of thermal energy or heat of the loss power source 14 known in the coolant, so from the two temperature sensors 20, 22 determined Tempe raturdifferenz before and after the power loss source 14 of the mass flow of the coolant can be determined, if the heat capacity of the coolant is known. If the calculated value of the current falls below a certain limit value, a fault can be assumed.
Allerdings benötigt dieses System eine genaue Kenntnis über die momentan in das Kühlsystem eingetragene Verlustleistung der Verlustleistungsquelle 14. Dies erfordert eine genaue Mo dellbildung beispielsweise des Schaltverhaltens und des However, this system requires a precise knowledge of the currently registered in the cooling system power loss of the power loss source 14. This requires a precise Mo dellbildung example of the switching behavior and the
Durchlassverhaltens der zur Kühlung vorgesehenen Verlustleis tungsquelle 14, wenn die Verlustleistungsquelle 14 als Leis tungshalbleiter (IGBT, MOSFET) ausgebildet ist, um die daraus resultierenden Verluste kontinuierlich mittels einer Rechen einrichtung bestimmen zu können. Dies bringt einen erhebli chen Aufwand und Unsicherheiten innerhalb der Modellierungen mit sich. Außerdem ist die Ermittlung der jeweiligen Tempera turen des Kühlmittels vor und hinter der Verlustleistungs quelle 14 empfindlich für Temperatursprünge des in den Kühl körper 12 beziehungsweise die Passage 24 eintretenden Kühl mittels, beispielsweise wenn sich die Temperatur des Kühlmit tels bei einer Einfahrt des Schienenfahrzeugs in einen Tunnel in Folge der dann geänderten Wärmetauscherumgebung sich ab rupt verändert. Da nämlich in die Durchflussberechnung die Temperaturdifferenz der beiden Sensoren 20, 22 eingeht, führt ein Sprung der Kühlmitteltemperatur vor dem Eintritt in die Passage 24, welche durch den vor der Verlustleistungsquelle 14 angeordneten Temperatursensor 20 bereits erfasst wird, aber aufgrund der Bewegungsgeschwindigkeit des Kühlmittels noch nicht am Ende der Passage 24 beim zweiten Temperatur sensor 22 erfasst werden kann, zu einem Fehler im berechneten Durchfluss. Somit kann es zu einer fehlerhaften und unbeab sichtigten Auslösung einer Ausfallerkennung des Massenstroms des Kühlmittels kommen. Aus der DE 11 2011 105 018 T5 ist ein Kühlsystem für ein Fahrzeug mit einem Strömungskanal, der ein flüssiges Medium umwälzt, das eine Antriebsvorrichtung des Fahrzeugs kühlt, bekannt. Dieses Kühlsystem umfasst eine Vielzahl von Tempera tursensoren, die an unterschiedlichen Positionen des Strö mungskanals vorgesehen sind. In dem Strömungskanal ist ein Heizelement vorgesehen, das durch das flüssige Medium gekühlt wird. Eine Strömungsrate des durch den Strömungskanal strö menden flüssigen Mediums wird auf Grundlage einer Zeitverzö gerung geschätzt, die zur Erfassung einer durch Änderung ei nes Wärmeerzeugungszustands des Heizelements verursachten Temperaturänderung durch die Vielzahl der Temperatursensoren benötigt wird. On-state behavior of the power loss source 14 provided for cooling when the power loss source 14 is designed as a power semiconductor (IGBT, MOSFET) in order to be able to continuously determine the resulting losses by means of a computing device. This entails a considerable effort and uncertainty within the modeling. In addition, the determination of the respective tempera tures of the coolant before and after the power loss source 14 is sensitive to temperature jumps in the cooling body 12 and the passage 24 entering cooling means, for example, when the temperature of the Kühlmit means at an entrance of the rail vehicle in a tunnel as a result of the then changed heat exchanger environment abruptly changed. Since the temperature difference between the two sensors 20, 22 is included in the flow calculation, a jump in the coolant temperature before entering the passage 24, which is already detected by the temperature sensor 20 arranged in front of the loss power source 14, but not due to the movement speed of the coolant at the end of the passage 24 at the second temperature sensor 22 can be detected, an error in the calculated flow. Thus, it can lead to a faulty and unin tentional triggering failure detection of the mass flow of the coolant. From DE 11 2011 105 018 T5 a cooling system for a vehicle with a flow channel which circulates a liquid medium which cools a drive device of the vehicle is known. This cooling system comprises a plurality of tempera ture sensors, which are provided at different positions of the Strö flow channel. In the flow channel, a heating element is provided, which is cooled by the liquid medium. A flow rate of the liquid medium flowing through the flow passage is estimated based on a delay required to detect a change in temperature caused by change in a heat generation state of the heating element by the plurality of temperature sensors.
Darüber hinaus ist aus der DE 10 2013 219 789 Al eine Vor richtung zur Bestimmung einer Flussgeschwindigkeit eines Kühlmittels durch einen Kühlkanal bekannt. Der Kühlkanal ist dazu eingerichtet, einen Umrichter zu kühlen. Mindestens ein Temperatursensor ist an mindestens einer Stelle des Kühlka nals zur Ermittlung der Temperatur des Kühlmittels vorgese hen. Die Bestimmung der Flussgeschwindigkeit des Kühlmittels durch den Kühlkanal erfolgt anhand der ermittelten Temperatur an der mindestens einen Stelle und/oder anhand einer mittels der Messeinheit ermittelten Wärmeleistung. In addition, DE 10 2013 219 789 A1 discloses a device for determining a flow velocity of a coolant through a cooling channel. The cooling channel is configured to cool an inverter. At least one temperature sensor is provided at least at one point of the cooling channel for determining the temperature of the coolant. The determination of the flow velocity of the coolant through the cooling channel takes place on the basis of the determined temperature at the at least one point and / or on the basis of a heat output determined by means of the measuring unit.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Küh leinrichtung für eine elektrische Anlage, insbesondere für ein Umrichtersystem einer elektrischen Anlage eines Schienen fahrzeugs, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Kühleinrichtung zu schaffen, mittels welchen sich einerseits eine einfache und kostengünstige Lösung zur Ausfallerkennung realisieren lässt, und welche andererseits äußerst unanfällig für eine fehlerhafte beziehungsweise unbeabsichtigte Auslö sung bei tatsächlich nicht vorhandenem Ausfall des Mas sestroms des Kühlmittels ist. Object of the present invention is therefore to provide a cooling leinrichtung for an electrical system, in particular for an inverter system of an electrical system of a rail vehicle, as well as to provide a method for operating such a cooling device, by means of which realize a simple and cost-effective solution for failure detection On the other hand, which is extremely unsusceptible to a faulty or unintentional triggering in actually non-existent failure of the Mas sestroms of the coolant.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kühleinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Ver- fahren zum Betreiben einer derartigen Kühleinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausge staltungen mit günstigen Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche. This object is achieved by a cooling device with the features of claim 1 and by a drive for operating such a cooling device with the features of claim 5 solved. Advantageous events with favorable developments of the invention are the subject of the respective dependent claims.
Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung für eine elektrische Schaltanlage, insbesondere für ein Umrichtersystem einer elektrischen Anlage eines Schienenfahrzeugs, umfasst einen Kühlpfad, in welchem wenigstens eine Verlustleistungsquelle integriert beziehungsweise in diesem angeordnet ist und wel cher von einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmittel durch- stömbar ist. Überdies umfasst die Kühleinrichtung eine Tempe ratursensorik zum Erfassen eines Ausfalls eines Massenstromes des Kühlmittels und somit zum Detektieren eines Ausfalls der gesamten Kühleinrichtung, wobei die Temperatursensorik zwei in Transportrichtung des Kühlmittels voneinander beabstandet in den Kühlpfad integrierte Temperatursensoren umfasst, wel che erfindungsgemäß in Transportrichtung des Kühlmittels vor einer Passage des Massenstroms des Kühlmittels durch einen Überdeckungsbereich des Kühlpfads mit der Verlustleistungs quelle angeordnet sind. Der Überdeckungsbereich von Verlust leistungsquelle und Kühlpfad ist als derjenige Bereich defi niert, in dem der hauptsächliche Wärmestrom von Wärmequelle zum Kühlmittel im Normalbetrieb geführt wird. The cooling device according to the invention for an electrical switchgear, in particular for an inverter system of an electrical installation of a rail vehicle, comprises a cooling path in which at least one power loss source is integrated or arranged therein and which is passable by a liquid or gaseous coolant. Moreover, the cooling device comprises a Tempe ratursensorik for detecting a failure of a mass flow of the coolant and thus for detecting a failure of the entire cooling device, wherein the temperature sensor comprises two spaced apart in the transport direction of the coolant in the cooling path integrated temperature sensors, wel che according to the invention in the transport direction of the coolant before a passage of the mass flow of the coolant through a coverage area of the cooling path with the power loss source are arranged. The coverage area of loss power source and cooling path is defi ned as the area in which the main heat flow from the heat source to the coolant is performed in normal operation.
Im Unterschied zum bisherigen Stand der Technik, bei welchem die jeweiligen Temperaturen des Kühlmittels in dessen Trans portrichtung vor dessen Eintritt in die Passage des Massen stroms durch den Überdeckungsbereich des Kühlpfads mit der Verlustleistungsquelle beziehungsweise nach dessen Austritt ermittelt worden sind, ist nunmehr erfindungsgemäß vorgese hen, die jeweiligen Temperaturen in größerem und kleineren Abstand vor Eintritt in die Passage des Massenstroms des Kühlmittels durch den Überdeckungsbereich des Kühlpfads mit der Verlustleistungsquelle zu messen. In contrast to the prior art, in which the respective temperatures of the coolant in the trans port direction prior to its entry into the passage of the mass flow through the coverage area of the cooling path with the power loss source or after its exit have been determined, is now hen vorgese hen, to measure the respective temperatures at a greater and smaller distance before entering the passage of the mass flow of the coolant through the coverage area of the cooling path with the power loss source.
Der wesentliche Vorteil einer derartigen Messung ist es, dass somit in einfacher Weise lediglich eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperaturmessstellen in größerem und kleineren Abstand vor Eintritt in die Passage des Massen stroms des Kühlmittels durch den Überdeckungsbereich des Kühlpfads mit der Verlustleistungsquelle ausgewertet werden muss, wobei ein Ausfall des Massenstroms immer dann vorliegt, wenn die Temperaturdifferenz deutlich höher als im Normalbe trieb ist und bei transienten Vorgängen der Temperaturanstieg des Kühlmittels im Nahbereich der Verlustleistungsquelle dem Temperaturanstieg an der demgegenüber weiter von der Verlust leistungsquelle entfernten Erfassungsstelle der Temperatur des Kühlmittels vorauseilt. Beide Teile dieser Bedingungen können dabei in einfacher Weise mit einer geeigneten, überla gerten Steuerung überprüft werden. Hierbei sind im Unter schied zum bisherigen Stand der Technik keine aufwändige Mo dellierungen des thermischen Verhaltens des Kühlmittels be ziehungsweise des Gesamtsystems und keine Kenntnis der aktu ell eingebrachten Verlustleistung in der Verlustleistungs quelle in das Kühlmittel notwendig, um diese Erkennung umzu setzen . The main advantage of such a measurement is that in a simple manner only a temperature difference between the two temperature measuring points in larger and smaller distance before entering the passage of the mass flow of the coolant through the coverage area of the cooling path with the power loss source must be evaluated, with a loss of mass flow is always present when the temperature difference is significantly higher than normal operation in operation and in transient processes, the temperature rise of the coolant in the vicinity of the power loss source the temperature rise at the opposite of the loss of power source remote detection point of the temperature of the coolant leads. Both parts of these conditions can be checked in a simple manner with a suitable, superordinate siege control. In this case, in contrast to the prior art, no elaborate modifications of the thermal behavior of the coolant or of the overall system and no knowledge of the actual power loss in the power loss source in the coolant are necessary in order to implement this recognition.
Ein weiterer großer Vorteil ist es, dass Temperatursprünge, welche beispielsweise bei vorhandener Zirkulation und Umwäl zung des Kühlmittels in Folge einer Temperaturveränderung beispielsweise im Bereich des Wärmetauschers entstehen, wie sich dies im Eisenbahnbetrieb beispielsweise bei sich verän dernden Temperaturen auf der Zugstrecke (Einfahrt in einen Tunnel) ergeben kann, weitaus robuster abgefangen werden kön nen. Eine derartige Temperaturänderung der Außenumgebung führt nämlich beispielsweise in Folge des dann wärmeren Another big advantage is that temperature jumps, which arise for example in existing circulation and Umwäl tion of the coolant as a result of a change in temperature, for example in the field of heat exchanger, as in railroad operation, for example, at changing temperatures on the train (entry into a tunnel ) can be intercepted far more robust KEN NEN. Namely, such a temperature change of the outside environment results, for example, as a result of warmer then
Stoffstroms der Kühlluft am Wärmetauscher zu einem solchen Temperatursprung des anderen Stoffstroms, nämlich des Massen stroms des Kühlmittels, welcher dann mittels der beiden Tem peratursensoren erfasst wird. Material flow of the cooling air at the heat exchanger to such a temperature jump of the other material flow, namely the mass flow of the coolant, which is then detected by means of the two temperature sensors Tem.
Da hierbei zunächst der von der Passage des Stroms durch den Überdeckungsbereich des Kühlpfads mit der Verlustleistungs quelle entferntere Temperatursensor einen Temperaturanstieg erfasst, bevor dieser Temperaturanstieg auch durch einen nä- her an der Passage angeordneten zweiten Sensor erfasst wird kann diese Betriebssituation von einem Ausfall des Massen stroms des Kühlmittels unterschieden werden, bei dem der kor respondierende zeitliche Temperaturgradient stets zuerst von dem, dem Überdeckungsbereich zugewandten, Temperatursensor erfasst wird., Infolgedessen ergibt sich insgesamt ein äu ßerst kostengünstiges und störungsunanfälliges Gesamtsystem zur Überwachung des Massenstroms des Kühlmittels innerhalb des Kühlpfads. Der Kühlpfad ist dabei insbesondere Teil eines Kühlkreislaufes, in welchen ein Wärmetauscher integriert ist. Gleichwohl wäre auch ein offenes System denkbar, bei welchem beispielsweise mittels eines Lüfters Umgebungsluft durch den Kühlpfad geblasen wird. Dann ist der Kühlkreislauf nicht mehr richtig geschlossen (nur über Umgebungsluft) . Ein Wärmetau scher ist dann auch nicht erforderlich. Since in this case the temperature sensor, which is more remote from the passage of the current through the overlapping area of the cooling path with the power loss, first detects a rise in temperature before this temperature increase can also be detected by a near-term sensor. can be distinguished from a failure of the mass flow of the coolant, in which the kor respondierende temporal temperature gradient is always detected first by the, the coverage area facing, temperature sensor., As a result, a total results in a total Very cost-effective and trouble-free overall system for monitoring the mass flow of the coolant within the cooling path. The cooling path is in particular part of a cooling circuit, in which a heat exchanger is integrated. Nevertheless, an open system would also be conceivable in which, for example, ambient air is blown through the cooling path by means of a fan. Then the cooling circuit is no longer properly closed (only over ambient air). A Wärmetau shear is then not required.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der eine Temperatur sensor in Transportrichtung des Kühlmittels im Bereich eines Eintritts des Massenstromes in den Kühlkörper und der weitere Temperatursensor im Nahbereich vor der Passage des Massen stroms durch den Überdeckungsbereich des Kühlpfads mit der Verlustleistungsquelle angeordnet ist. Auf diese Art und Wei se ist insbesondere eine Wärmeausbreitung in Folge des Ein trags einer thermischen Energie durch die Verlustleistungs quelle beim Ausfall des Massenstroms besonders schnell und zuverlässig ermittelbar, wenn der im Nahbereich vor der Pas sage des Massenstroms durch den Überdeckungsbereich des Kühl pfads mit der Verlustleistungsquelle angeordnete Temperatur sensor einen entsprechenden, ungewöhnlichen Temperaturanstieg ermittelt . According to the invention it is provided that the one temperature sensor is arranged in the transport direction of the coolant in the region of entry of the mass flow into the heat sink and the other temperature sensor in the vicinity of the passage of the mass flow through the overlap region of the cooling path with the power loss source. In this way and Wei se in particular a heat propagation as a result of a contribution of thermal energy through the power loss in case of failure of the mass flow can be determined particularly quickly and reliably, if in the vicinity of the Pas say the mass flow through the overlap region of the cooling path with the Loss power source arranged temperature sensor determines a corresponding, unusual increase in temperature.
Darüber hinaus ist erfindungsgemäß eine Recheneinrichtung vorgesehen, welche dazu eingerichtet ist, eine Temperaturdif ferenz der beiden erfassten Temperaturen des Kühlmittels zu ermitteln und mit einem Grenzwert zu vergleichen wird und ei ne Erfassungsreihenfolge einer Temperaturänderung des Kühl mittels an den Messstellen zu ermitteln und mit einem Grenz wert zu vergleichen In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich dabei als vorteilhaft gezeigt, wenn die Verlustleistungsquelle mit ei nem in den Kühlpfad integrierten Kühlkörper Wärme leitend ge koppelt, beispielsweise unmittelbar verbunden oder einstückig mit diesem ausgestaltet, ist, wobei die beiden Temperatur sensoren dann an dem Kühlkörper angeordnet sind. Der Kühlkör per sorgt somit einerseits für eine homogene Temperaturabfuhr der thermischen Energie aus der Verlustleistungsquelle und ermöglicht eine sehr feine und genaue Temperaturerfassung mittels der beiden Temperatursensoren. In addition, according to the invention a computing device is provided, which is adapted to determine a Temperaturdif difference of the two detected temperatures of the coolant and to compare with a limit and ei ne detection sequence of a temperature change of the cooling means to determine at the measuring points and value with a limit to compare In a further embodiment of the invention, it has been found to be advantageous if the power loss source with egg nem integrated cooling path in the heat sink heat conductively ge coupled, for example, directly connected or integrally designed with this is, the two temperature sensors then arranged on the heat sink are. The Kühlkör by thus ensures on the one hand for a homogeneous temperature dissipation of the thermal energy from the power loss source and allows a very fine and accurate temperature detection by means of the two temperature sensors.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht überdies eine Mehrzahl von Verlustleistungsquellen vor, wobei die beiden Temperatursensoren voneinander beabstandet in Transportrichtung des Kühlmittels vor einer Passage des Mas senstroms durch einen Überdeckungsbereich des Kühlpfads mit einer der Verlustleistungsquellen angeordnet sind. Im Ergeb nis kann somit in einfacher Weise eine Überhitzung mehrerer, innerhalb des Kühlpfads hintereinander angeordneter Verlust leistungsquellen durch eine einzige Anordnung von zwei Tempe ratursensoren vor einer der Verlustleistungsquellen - in Transportrichtung des Kühlmittels gesehen - detektiert wer den . A further advantageous embodiment of the invention also provides a plurality of power loss sources, wherein the two temperature sensors are spaced from each other in the transport direction of the coolant before passage of the Mas senstrom through a coverage area of the cooling path with one of the power loss sources are arranged. As a result, in a simple manner overheating of several, within the cooling path successively arranged loss power sources by a single arrangement of two Tempe ratursensoren before one of the power loss sources - seen in the transport direction of the coolant - who detected the.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Kühlpfad Teil eines Kühlkreislaufs ist, in welchen ein Wärme tauscher integriert ist. Ein derartiges System ist besonders betriebssicher und einfach zu betreiben. Finally, it has been found to be advantageous if the cooling path is part of a cooling circuit in which a heat exchanger is integrated. Such a system is particularly reliable and easy to operate.
Die vorstehend im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Küh leinrichtung beschriebenen Vorteile ergeben sich in ebensol cher Weise für das Verfahren zum Betreiben dieser Kühlein richtung gemäß Patentanspruch 5. The advantages described above in connection with the cooling device according to the invention result in the same way for the method for operating this cooling device according to claim 5.
Das Verfahren zeichnet sich zudem insbesondere dadurch aus, dass auf einfache Weise jeweilige Temperaturdifferenzen der mittels der beiden Temperatursensoren ermittelten Temperatu ren des Kühlmittels berechnet werden können und sich dann auf einfache Weise ein Ausfall des Massenstroms ermitteln lässt, wenn beispielsweise ein Grenzwert dieser Temperaturdifferenz überstiegen wird und der Gradient der Temperaturveränderung des Kühlmittels im Nahbereich der Verlustleistungsquelle der Temperaturveränderung an der demgegenüber weiter von der Ver lustleistungsquelle entfernten Erfassungsstelle der Tempera tur des Kühlmittels vorauseilt. The method is also characterized in particular by the fact that in a simple way, respective temperature differences of the determined by means of the two temperature sensors Temperatu Ren of the coolant can be calculated and then on a simple way to determine a failure of the mass flow, for example, if a threshold value of this temperature difference is exceeded and the gradient of the temperature change of the coolant in the vicinity of the power loss source of the temperature change at the opposite of the United Lustleistungsquelle remote detection point of the tempera ture of the coolant leads.
In diesem Zusammenhang hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn bei Überschreiten des Grenzwerts ein Signal über den Ausfall des Massenstroms des Kühlmittels an die übergeordnete Anlage übermittelt wird, damit das System abge schaltet und die entsprechenden Komponenten der Anlage vor Überhitzung geschützt werden können. In this context, it has been found to be particularly advantageous if a signal on the failure of the mass flow of the coolant is transmitted to the parent system when exceeding the limit, so that the system switches abge and the corresponding components of the system can be protected from overheating.
Schließlich ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der besonders günstige Vorteil, dass bei Ermittlung eines zeitlichen Temperaturgradienten, der an dem, dem Überde ckungsbereich abgewandten und Zulauf zugewandten, Temperatur sensor zuerst erfasst wird, von einem Temperatursprung des Kühlmittels in Folge der sich verändernden Umgebungsbedingun gen und insbesondere in Folge von damit einhergehenden Tempe raturschwankungen ausgegangen werden kann. Da somit auf ein fache Weise ein zeitlicher Temperaturgradient von dem, dem Überdeckungsbereich abgewandten und Zulauf zugewandten, Tem peratursensor zuerst erfasst wird, kann somit ein Ausfall des Massenstroms in besonders einfacher Weise von einem derarti gen Temperatursprung unterschieden werden, was erheblich zur Zuverlässigkeit der Anlage beiträgt, sodass unbeabsichtigte beziehungsweise unzutreffende Abschaltungen des Gesamtsystems besonders einfach und wirksam vermieden werden können. Finally, in the case of the method according to the invention, the particularly advantageous advantage results that upon determination of a temporal temperature gradient, which is detected first at the temperature sensor facing away from the overflow area and inlet, from a temperature jump of the coolant as a result of the changing ambient conditions especially as a result of associated Tempe raturschwankungen can be expected. Thus, since in a simple way a temporal temperature gradient of the cover area facing away from the inlet and facing Tem temperature sensor is detected first, thus a loss of mass flow in a particularly simple manner can be distinguished from a derarti conditions temperature jump, which significantly contributes to the reliability of the system , so that unintentional or incorrect shutdowns of the entire system can be particularly easily and effectively avoided.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungs beispiele sowie anhand der Zeichnungen. In den FIG bezeichnen dabei gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen. Es zeigen: FIG 1 eine schematische Ansicht einer Kühleinrichtung für ein Umrichtersystem einer elektrischen Anlage eines Schienenfahrzeugs gemäß dem Stand der Technik;Further advantages and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiment examples and with reference to the drawings. In the FIG same reference numerals designate the same features and functions. Show it: 1 shows a schematic view of a cooling device for an inverter system of an electrical system of a rail vehicle according to the prior art;
FIG 2 eine schematische Ansicht einer Kühleinrichtung für ein Umrichtersystem einer elektrischen Anlage eines Schienenfahrzeugs gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; 2 shows a schematic view of a cooling device for an inverter system of an electrical system of a rail vehicle according to a first embodiment of the invention;
FIG 3 eine schematische Ansicht der Kühleinrichtung gemäß  3 shows a schematic view of the cooling device according to FIG
FIG 2, anhand welcher die Funktionsweise beim Ausfall eines Massenstroms eines Kühlmittels der Kühleinrich tung angedeutet ist;  FIG 2, based on which the operation is indicated in case of failure of a mass flow of a coolant of the Kühleinrich device;
FIG 4 ein Diagramm der über die Zeit erfassten Temperaturen einer Temperatursensorik, wobei anhand einer Tempera turdifferenz ein Ausfall des Massenstroms des Kühl mittels erfassbar ist;  4 shows a diagram of the temperatures of a temperature sensor detected over time, wherein a temperature difference of the cooling means can be detected by means of a temperature difference;
FIG 5 ein weiteres Diagramm des Verlaufs der mittels der entsprechenden Temperatursensoren ermittelten Tempe raturen über der Zeit, wobei jeweilige Temperaturver läufe erkennbar sind, mittels welchen ein Temperatur sprung des Kühlmittels in Folge geänderter Umgebungs bedingungen des Schienenfahrzeugs ermittelbar sind; und in  5 shows a further diagram of the course of the temperature determined by means of the corresponding temperature sensors Tempe over time, with respective temperature Ver run are recognizable, by means of which a temperature jump of the coolant as a result of changing ambient conditions of the rail vehicle can be determined; and in
FIG 6 eine schematische Ansicht einer Kühleinrichtung für ein Umrichtersystem einer elektrischen Anlage eines Schienenfahrzeugs gemäß einer weiteren Ausführungs form, bei welcher der Ausfall mehrerer Verlustleis tungsquellen über eine Sensorik ermittelt werden kann .  6 shows a schematic view of a cooling device for an inverter system of an electrical system of a rail vehicle according to a further embodiment, in which the failure of several sources of power loss can be determined via a sensor system.
Während in FIG 1 eine Kühleinrichtung für ein Umrichtersystem einer elektrischen Anlage eines Schienenfahrzeugs gemäß dem Stand der Technik gezeigt ist, soll nun im Weiteren anhand der FIG 2 bis 6 die erfindungsgemäße Kühleinrichtung für ein Umrichtersystem einer elektrischen Anlage eines Schienenfahr zeugs sowie eines Verfahrens zum Betreiben einer derartigen Kühleinrichtung anhand von zwei Ausführungsbeispielen be schrieben werden. Hierbei zeigt FIG 2 eine schematische Ansicht einer Kühlein richtung für ein Umrichtersystem einer elektrischen Anlage eines Schienenfahrzeugs mit einer Verlustleistungsquelle 30, welche beispielsweise als SiC-MOSFET-Modul (Metaloxide- Semiconductor-Field-Effect-Transistor = Metall-Oxid-Halb- leiter-Feldeffekttransistor) ausgebildet ist. Eine derartige Komponente erzeugt ein hohes Maß an thermischer Energie be ziehungsweise Wärme, welche entsprechend abgeführt werden muss, um gegen Überhitzung geschützt zu sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Verlustleistungsquelle 30 hierzu mit einem entsprechend thermisch gut leitenden Kühlkörper 32 verbunden, wobei mit Pfeilen 34 ein Verlustleistungseintrag beziehungsweise ein Wärmeübergang der von der Verlustleis tungsquelle 30 erzeugten thermischen Energie in den Kühlkör per 32 symbolisiert wird. Im vorliegenden Fall sind die Ver lustleistungsquelle 30 und der Kühlkörper 32 separat ausge bildet. Gleichfalls ist es jedoch auch denkbar, dass die bei den Komponenten einstückig gestaltet sind. Ebenso kann die Verlustleistungsquelle 30 einen integrierten Kühlkörper 32 aufweisen . While a cooling device for an inverter system of an electrical system of a rail vehicle according to the prior art is shown in FIG. 1, the cooling device according to the invention for an inverter system of an electrical system of a rail vehicle and a method for operating a Such cooling device be described with reference to two embodiments be. 2 shows a schematic view of a cooling device for an inverter system of an electrical system of a rail vehicle with a power loss source 30, which, for example, as a SiC MOSFET module (metal oxide semiconductor field effect transistor = metal oxide semiconductor conductor). Field effect transistor) is formed. Such a component generates a high level of thermal energy or heat, which must be dissipated in order to be protected against overheating. In the present embodiment, the power loss source 30 is for this purpose connected to a correspondingly good thermal conductivity heatsink 32, wherein arrows 34, a loss of power input or heat transfer of the power source 30 from the loss of power generated thermal energy in the Kühlkör is symbolized by 32. In the present case, the loss loss source 30 and the heat sink 32 are formed separately. Likewise, it is also conceivable that the components are designed in one piece. Likewise, the power loss source 30 may include an integrated heat sink 32.
Wie des Weiteren aus FIG 2 erkennbar ist, ist der Kühlkörper 32 von einem Kühlkanal 36 durchsetzt, welcher selbst Teil ei nes Kühlpfads 39 des Kühlkreislaufs 38 ist. In diesen, in FIG 2 symbolisch angedeuteten Kühlkreislauf 38 sind ein Wärmetau scher 40 und eine Pumpe 42 integriert, mittels welcher ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmedium beziehungsweise Kühl mittel innerhalb des Kühlkreislaufs 38 umgewälzt wird bezie hungsweise zirkuliert. Anstelle einer Pumpe 42 wäre natürlich auch eine andere Umwälzeinrichtung denkbar. As can further be seen from FIG. 2, the cooling body 32 is penetrated by a cooling channel 36, which itself is part of a cooling path 39 of the cooling circuit 38. In this, symbolically indicated in Figure 2 cooling circuit 38 are a Wärmetau exchanger 40 and a pump 42 is integrated, by means of which a liquid or gaseous cooling medium or cooling medium is circulated within the cooling circuit 38 relation ship as circulated. Instead of a pump 42, of course, another circulation device would be conceivable.
Über den Wärmetauscher 40 wird in dem Kühlmittel gespeicherte Wärme, welche diese durch den Verlusteintrag der Verlustleis tungsquelle 30 aufgenommen hat, in an sich bekannter Weise an ein zweites Stoffstrom übertragen. Dieser zweite Stoffstrom wird bei Schienenfahrzeugen beispielsweise durch die Umge bungsluft gebildet, welche beispielsweise mittels eines Lüf ters beschleunigt wird und dann den Wärmetauscher 40 bezie- hungsweise Kühler durchströmt und hierdurch den Stoffstrom beziehungsweise Massenstrom des in dem Kühlkreislauf 38 zir kulierenden Kühlmittels abkühlt. Heat stored in the coolant, which has been absorbed by the loss entry of the loss supply power source 30, is transferred via the heat exchanger 40 to a second material flow in a manner known per se. For rail vehicles, for example, this second material flow is formed by the ambient air, which is accelerated, for example, by means of a fan and then relates to the heat exchanger 40. As a result, the flow through the material or the mass flow of the coolant circulating in the cooling circuit 38 cools.
Das in dem Wärmetauscher 40 abgekühlte Kühlmittel tritt in nerhalb des Kühlpfads 39 im Bereich eines Eintritts 44 des Massenstroms in den innerhalb des Kühlkörpers 32 vorgesehen Kühlkanal 36 ein. Im weiteren Verlauf des Massenstroms bezie hungsweise im weiteren Verlauf einer mit einem Pfeil 46 ange gebenen Transportrichtung des Kühlkreislaufs 38 beziehungs weise des Kühlpfads 39 gelangt das Kühlmittel dann in einen Längenbereich beziehungsweise in eine Passage 48 des Massen stroms innerhalb des Kühlkanals 36 in den Überdeckungsbereich des Kühlkreislaufs 38 mit der Verlustleistungsquelle 30. Der Überdeckungsbereich von Verlustleistungsquelle 30 und Kühl kreislauf 38 beziehungsweise Kühlpassage 39 ist als derjenige Bereich definiert, in dem der hauptsächliche Wärmestrom von Wärmequelle zum Kühlmittel im Normalbetrieb geführt wird. Un ter der Passage 48 ist demzufolge derjenige Abschnitt des Kühlkanals 36 zu verstehen, in welchem sich der Massenstrom des Kühlmittels im Wesentlichen in Überdeckung mit der Ver lustleistungsquelle 30 befindet. Im Bereich dieser Passage 48 erfolgt demzufolge auch der Verlustleistungseintrag (Pfeile 34) aus der Verlustleistungsquelle 30 über den Kühlkörper 32 in das Kühlmittel. Im vorliegenden Fall wird als Kühlmittel beispielsweise Wasser verwendet. Nachdem das Kühlmittel den Kühlkörper 32 passiert hat, tritt es an einem Austritt 50 wieder aus diesem beziehungsweise aus dem Kühlkanal 36 aus und gelangt von dort aus wiederum zur Pumpe 42, mittels wel cher das Kühlmittel im weiteren Verlauf wiederum zum Wärme tauscher 40 gelangt, in welchem es die von der Verlustleis tungsquelle 30 aufgenommene Wärme an die den Wärmetauscher 40 durchströmende Umgebungsluft abgibt. The cooled in the heat exchanger 40 refrigerant enters within the cooling path 39 in the region of an inlet 44 of the mass flow in the cooling channel 36 provided within the cooling body 32 a. In the further course of the mass flow relation ship in the further course of an arrow 46 is given transport direction of the cooling circuit 38 relationship, the cooling path 39, the coolant then enters a length range or in a passage 48 of the mass flow within the cooling channel 36 in the coverage area of the cooling circuit 38 with the power loss source 30. The coverage area of power loss source 30 and cooling circuit 38 and cooling passage 39 is defined as the area in which the main heat flow from the heat source to the coolant is performed in normal operation. Un ter the passage 48 is therefore to understand that portion of the cooling channel 36, in which the mass flow of the coolant is substantially in overlap with the United loss-power source 30. Accordingly, in the region of this passage 48, the power loss entry (arrows 34) from the power loss source 30 via the heat sink 32 into the coolant takes place. In the present case, for example, water is used as the coolant. After the coolant has passed the heat sink 32, it exits at an outlet 50 again from this or from the cooling channel 36 and from there in turn to the pump 42, wel cher by means of wel cher the coolant in the further course to the heat exchanger 40 passes, in which it emits the heat from the loss source 30 absorbed heat to the heat exchanger 40 by flowing ambient air.
Weiterhin ist aus FIG 2 erkennbar, dass eine Temperatursenso rik Teil der Kühleinrichtung ist, welche im vorliegenden Fall einen ersten Temperatursensor 52 und einen zweiten Tempera tursensor 54 umfasst. Der eine, erste Temperatursensor 52 ist dabei - bezogen auf die Transportrichtung 46 des Kühlmittels - im Bereich des Eintritts 44 des Massenstroms in dem Kühl mittelkörper 32 angeordnet. Der zweite Temperatursensor 54 ist im Nahbereich beziehungsweise unmittelbar vor der Passage 48 des Massenstroms durch den Überdeckungsbereich des Kühl kreislaufs 38 beziehungsweise Kühlpfads 39 mit der Verlust leistungsquelle 30 angeordnet. Die Temperatursensoren 52, 54 sind demzufolge - bezogen auf die Transportrichtung 46 des Kühlmittels - vor der Passage 48 des Massenstroms durch den Überdeckungsbereich des Kühlkreislaufs 38 mit der Verlust leistungsquelle 30 positioniert. Dabei können die beiden Tem peratursensoren 52, 54 gegebenenfalls auch außerhalb des Kühlkörpers 32 unmittelbar in entsprechenden Leitungen des Kühlkreislaufs 38 angeordnet sein. Die vorliegende Anordnung der Temperatursensoren 52, 54 innerhalb des Kühlkörpers 32 ist jedoch besonders vorteilhaft, da hier eine gute thermi sche Kopplung der Sensoren an das Kühlmedium vorliegt. Furthermore, it can be seen from FIG. 2 that a temperature sensor is part of the cooling device, which in the present case comprises a first temperature sensor 52 and a second temperature sensor 54. The one, first temperature sensor 52 is In this case - relative to the transport direction 46 of the coolant - in the region of the inlet 44 of the mass flow in the cooling medium body 32 is arranged. The second temperature sensor 54 is in the vicinity or immediately before the passage 48 of the mass flow through the overlap region of the cooling circuit 38 and cooling paths 39 with the loss of power source 30 is arranged. The temperature sensors 52, 54 are thus - with respect to the transport direction 46 of the coolant - before the passage 48 of the mass flow through the coverage area of the cooling circuit 38 with the loss power source 30 positioned. In this case, the two Tem perature sensors 52, 54 may also be arranged outside the heat sink 32 directly in corresponding lines of the cooling circuit 38. However, the present arrangement of the temperature sensors 52, 54 within the heat sink 32 is particularly advantageous since there is a good thermal coupling of the sensors to the cooling medium.
Das Verfahren zum Betreiben der Kühleinrichtung sieht nun vor, dass bei zirkulierendem Kühlmittel mittels der beiden Temperatursensoren 52, 54 die jeweilige Temperatur am Ein tritt 44 beziehungsweise vor der Passage 48 ermittelt wird. Wie nun aus dem Diagramm gemäß FIG 4 nahe der dortigen Ordi nate erkennbar ist, verlaufen entsprechende Temperaturmess kurven A, B über die Zeit üblicherweise konstant und parallel zueinander. Die Temperaturmesskurve A der mittels des Tempe ratursensors 52 am Eintritt 44 ermittelten Temperatur ist da bei üblicherweise geringer als die Temperaturmesskurve B der im Bereich vor der Passage 48 mittels des Temperatursensors 54 ermittelten Temperatur. Dies hängt damit zusammen, dass an der Messstelle des zweiten Temperatursensors 54 der Verlust leistungseintrag durch die Verlustleistungsquelle 30 dazu führt, dass in diesem Bereich der Kühlkörper 32 beziehungs weise das in diesen Bereich strömende Kühlmedium eine leicht erhöhte Temperatur hat. Die Temperatur A entspricht demzufol ge der Kühlmittelzulauftemperatur . Die vom Temperatursensor 54 hingegen gemessene Temperatur B ist nur geringfügig höher als die Temperatur A, da sich ein Teil der von der Verlust- leistungsquelle 30 eingetragenen Leistung entgegen der Strö mungsrichtung des Kühlmittels ausbreitet und so die Tempera tur, welche durch die Temperaturmesskurve B repräsentiert wird, geringfügig erhöht. Eine Temperaturdifferenz kann somit ermittelt werden, indem der Wert der Temperaturmesskurve B um den Wert der Temperaturmesskurve A subtrahiert wird. Im nor malen Betrieb der Kühleinrichtung wird somit eine geringe po sitive Temperaturdifferenz DT ermittelt. The method for operating the cooling device now provides that with circulating coolant by means of the two temperature sensors 52, 54, the respective temperature on A enters 44 or before the passage 48 is determined. As can now be seen from the diagram in FIG. 4 near the local ordinate, corresponding temperature measuring curves A, B usually run constantly and parallel to each other over time. The temperature measurement curve A of the Tempe ratursensors 52 at the inlet 44 detected temperature is there at usually lower than the temperature curve B of the area in front of the passage 48 by means of the temperature sensor 54 detected temperature. This is related to the fact that at the measuring point of the second temperature sensor 54 of the loss of power input through the power loss source 30 causes in this area of the heat sink 32 relationship, the flowing cooling medium in this area has a slightly elevated temperature. The temperature A corresponds demzufol ge the coolant inlet temperature. By contrast, the temperature B measured by the temperature sensor 54 is only slightly higher than the temperature A, since a part of power source 30 propagates registered power against the Strö flow direction of the coolant and so the temperature, which is represented by the temperature measurement curve B, slightly increased. A temperature difference can thus be determined by subtracting the value of the temperature measurement curve B by the value of the temperature measurement curve A. In nor normal operation of the cooling device thus a low positive temperature difference DT is determined.
Kommt es nun zu einem Zeitpunkt (Linie 53) zu einem Ausfall der Pumpe 42 oder einem sonstigen Erliegen des Massenstroms des Kühlmittels innerhalb des Kühlkreislaufs 38, so resul tiert in Folge der weiterhin aus der Verlustleistungsquelle 30 in den Kühlkörper 32 beziehungsweise in das Kühlmittel eingebrachten Verlustleistung eine Temperaturerhöhung direkt unter der Verlustleistungsquelle 30 beziehungsweise über die Passage 48 im Überdeckungsbereich der Verlustleistungsquelle 30 mit dem Kühlkanal 36. Durch die resultierende Temperatur differenz beziehungsweise durch Ausbreitung der in das Kühl medium eingetragenen thermischen Energie beziehungsweise Wär me ergibt sich ein Wärmestrom entgegen der normalen Fluss richtung 46 des Massenstroms des Kühlmittels, wie dies in FIG 3 anhand entsprechender Linien 55 angedeutet ist. If there is now at a time (line 53) to a failure of the pump 42 or other succumbing to the mass flow of the coolant within the cooling circuit 38, so resulted in consequence of the further introduced from the power loss source 30 in the heat sink 32 or in the coolant power dissipation a temperature increase directly below the power loss source 30 or via the passage 48 in the coverage area of the power loss source 30 with the cooling channel 36. By the resulting temperature difference or by propagation of the registered in the cooling medium thermal energy or heat me, a heat flow against the normal flow direction results 46 of the mass flow of the coolant, as indicated in FIG 3 by means of corresponding lines 55.
Aufgrund dieses Wärmestroms entgegen der normalen Flussrich tung 46 erhöht sich die durch den Temperatursensor 54 ermit telte Temperatur sehr schnell und stark, wie in FIG 4 anhand der Temperaturkurve B erkennbar ist. Deutlich verzögert und in geringerem Umfang aufgrund des Abstandes zur Verlustleis tungsquelle 30 erhöht sich auch die mittels des Temperatur sensors 52 gemessene Temperatur am Eintritt 44 in den Kühl körper 32. Diese Verzögerung ergibt sich in Folge des sich entgegen der normalen Flussrichtung 46 ausbreitenden Wär mestroms, welcher nach Erreichen der Messstelle im Bereich des Temperatursensors 54 noch einige Zeit benötigt, bis auch der Temperatursensor 52 im Bereich des Eintritts 44 in den Kühlkörper 32 eine entsprechende Temperaturerhöhung misst. Den Verlauf dieser Temperaturkurve A im Bereich des Eintritts 44 ist in FIG 4 ebenfalls erkennbar. Due to this heat flow counter to the normal direction of the flow Rich 46 increases the ermit through the temperature sensor 54 tete temperature very fast and strong, as shown in FIG 4 using the temperature curve B can be seen. Significantly delayed and, to a lesser extent, due to the distance to the power loss source 30, the temperature measured by the temperature sensor 52 also increases at the inlet 44 into the cooling body 32. This delay results from the heat flow propagating counter to the normal flow direction 46. which after reaching the measuring point in the region of the temperature sensor 54 still requires some time until the temperature sensor 52 in the region of the inlet 44 in the heat sink 32 measures a corresponding increase in temperature. The course of this temperature curve A in the region of the inlet 44 can also be seen in FIG.
Aus FIG 4 wird somit deutlich, dass nach dem mit der gestri chelten Linie 53 angedeuteten Zeitpunkt des Ausfalls der Kühlmittelumwälzung beziehungsweise der Zirkulation des Mas senstroms innerhalb des Kühlkreislaufs 38 eine deutliche Er höhung der Temperaturmesskurve B und - nachfolgend und mode rater - auch der Temperaturmesskurve A erfolgt. Somit steigt die Temperaturdifferenz DT an, wie dies deutlich aus dem Dia gramm gemäß FIG 4 erkennbar ist. From FIG 4 it is thus clear that after the time indicated by the gestri smelted line 53 time of failure of the coolant circulation or the circulation of the mass flow within the cooling circuit Ma 38 a significant He increase the temperature curve B and - below and mode rater - and the temperature curve A. he follows. Thus, the temperature difference DT increases, as can be clearly seen from the slide graph according to FIG 4.
Die Temperaturdifferenz DT kann dabei mittels einer Auswert einheit kontinuierlich geprüft werden. Die Temperaturdiffe renz DT kann in einer Recheneinheit mit einem Grenzwert ver glichen werden, welcher einen Ausfall des Massenstroms defi niert. Bei Überschreiten des Grenzwerts kann ein Signal über den Ausfall des Massenstroms des Kühlmittels an die Anlage übermittelt werden. Ein Ausfall des Kühlmittelmassenstroms liegt demzufolge immer dann vor, wenn die Temperaturdifferenz DT zwischen dem Temperatursensor 54 und dem Temperatursensor 52 deutlich höher ist als im Normalbetrieb und der Tempera turanstieg im Bereich des Temperatursensors 54 dem Tempera turanstieg im Bereich des Temperatursensors 52 vorauseilt. Beide Teile dieser Bedingung können mit einer geeigneten, überlagerten Steuerung geprüft werden. The temperature difference DT can be continuously checked by means of an evaluation unit. The temperature difference DT can be compared in a computing unit with a limit value which defines a failure of the mass flow. When the limit value is exceeded, a signal about the failure of the mass flow of the coolant can be transmitted to the system. Accordingly, a failure of the coolant mass flow is always present when the temperature difference DT between the temperature sensor 54 and the temperature sensor 52 is significantly higher than during normal operation and the tempera ture rise in the region of the temperature sensor 54 the tempera ture rise in the region of the temperature sensor 52 leads. Both parts of this condition can be checked with a suitable superimposed control.
FIG 5 zeigt ein weiteres Diagramm der Temperatur der beiden Temperaturmesskurven A, B über die Zeit t. Hierbei sind im Diagramm zwei Temperatursprünge 56, 58 zu jeweiligen Zeit punkten eingetragen. Derartige Temperatursprünge 56, 58 ent stehen beispielsweise bei einer signifikanten Änderung der Bedingungen im Wärmetauscher 40, nämlich beispielsweise dann, wenn das Schienenfahrzeug in einen Tunnel einfährt, in wel chem eine deutlich andere Temperatur vorherrscht als zuvor. Ist demzufolge die Kühlmittelumwälzung und die Zirkulation des Massenstroms aktiv, und es kommt zu einem Temperatur sprung beispielsweise im Stoffstrom des Wärmetauschers, also der Kühlluft, so führt dies entsprechend zu einem Temperatur sprung des Kühlmittels. Dieser Sprung entsteht im Kühlmittel zulauf, und zwar aufgrund der Flussrichtung des Kühlmittels immer zunächst am Temperatursensor 52 nahe des Eintritts 44 und mit zeitlichem Verzug danach vor Eintritt des Kühlmittels in die Passage 48 am Temperatursensor 54. Damit ist die De tektionsreihenfolge der Temperaturänderung genau umgekehrt wie beim Ausfall des Massenstroms, wie dieser zuvor beschrie ben worden ist. Somit wird beim ersten Temperatursprung an der Linie 56 eine negative Temperaturdifferenz DT zwischen der Temperaturmesskurve B und der Temperaturmesskurve A er mittelt, welche sich in Folge des geänderten Vorzeichens von derjenigen Temperaturdifferenz DT unterscheidet, welche bei einem Ausfall des Massenstroms detektiert wird. Somit kann ein Kühlmittelsprung im Zulauf klar von einem Massenstromaus fall des Kühlmittels unterschieden werden. FIG. 5 shows a further diagram of the temperature of the two temperature measuring curves A, B over the time t. Here, two temperature jumps 56, 58 at each time points are entered in the diagram. Such temperature jumps 56, 58 are ent, for example, in a significant change in the conditions in the heat exchanger 40, namely, for example, when the rail vehicle enters a tunnel in wel chem a significantly different temperature prevails than before. Is therefore the coolant circulation and the circulation of the mass flow active, and there is a jump in temperature, for example in the flow of the heat exchanger, ie the cooling air, so this leads accordingly to a temperature jump of the coolant. This jump occurs in the coolant inlet, due to the flow direction of the coolant always first on the temperature sensor 52 near the inlet 44 and with a time delay before the coolant enters the passage 48 at the temperature sensor 54. Thus, the detection order of the temperature change is exactly the reverse in case of failure of the mass flow, as has been previously described ben. Thus, at the first temperature jump on the line 56, a negative temperature difference DT between the temperature measurement curve B and the temperature measurement curve A he averages, which differs due to the changed sign of that temperature difference DT, which is detected in case of failure of the mass flow. Thus, a coolant jump in the inlet can be clearly distinguished from a case of Massenstromaus fall of the coolant.
Der im Bereich der Linie 58 angedeutete zweite Temperatur sprung des Kühlmittels entsteht beispielsweise nach Verlassen des Tunnels bis sich der Verlauf der Temperaturmesskurven A und B über die Zeit wieder normalisiert hat. The indicated in the region of the line 58 second temperature jump of the coolant arises for example after leaving the tunnel until the course of the temperature curves A and B has normalized over time.
FIG 6 zeigt schließlich ein weiteres Ausführungsbeispiel der Kühleinrichtung in einer schematischen Ansicht, wobei der Kühlkanal 36 des Kühlkreislaufs 38 äußerst schematisch ange deutet ist. An diesem Kühlkanal 36 ist ein Kühlkörper 32 in Form einer Kühlplatte angeordnet, auf welchem wiederum zwei Verlustleistungsquellen 30 beispielsweise in Form jeweiliger Leistungshalbleiter angeordnet sind. Wiederum erkennbar sind die jeweiligen Temperatursensoren 52, 54, welche entsprechend in einem größeren beziehungsweise kleineren Abstand zur je weiligen Verlustleistungsquelle 30 angeordnet sind. Dabei ist insbesondere erkennbar, dass auch beim Einsatz von zwei Ver lustleistungsquellen 30 lediglich eine Temperatursensorik mit einem Paar von Temperatursensoren 52, 54 erforderlich ist, mittels welchen dann sowohl der Ausfall der in Transportrich tung 46 des Kühlmediums betrachtet vorderen als auch hinteren Verlustleistungsquelle 30 detektiert werden kann. Mit anderen Worten ist auch beim Einsatz von zwei Verlustleistungsquellen 30 somit lediglich ein Paar von Temperatursensoren 52, 54 er forderlich . FIG 6 finally shows another embodiment of the cooling device in a schematic view, wherein the cooling channel 36 of the cooling circuit 38 is extremely schematically indicated. At this cooling channel 36, a cooling body 32 is arranged in the form of a cooling plate, on which in turn two power loss sources 30 are arranged, for example in the form of respective power semiconductors. Again recognizable are the respective temperature sensors 52, 54, which are arranged correspondingly at a greater or smaller distance to each respective power loss source 30. It can be seen in particular that even with the use of two Ver loss sources 30 only a temperature sensor with a pair of temperature sensors 52, 54 is required, by means of which then both the failure of the transport direction 46 in the direction of the cooling medium considered front and rear power loss source 30 are detected can. With others Words is therefore when using two power loss sources 30 thus only a pair of temperature sensors 52, 54 he required.

Claims

Patentansprüche claims
1. Kühleinrichtung für eine elektrische Anlage, insbesondere für ein Umrichtersystem einer elektrischen Anlage eines 1. Cooling device for an electrical system, in particular for an inverter system of an electrical system
Schienenfahrzeugs, mit einem Kühlpfad (39) , in welchem we nigstens eine Verlustleistungsquelle (14) angeordnet ist und welcher von einem Kühlmittel durchströmbar ist, und mit einer Temperatursensorik zum Erfassen eines Ausfalls eines Massen stroms des Kühlmittels, welche wenigstens zwei in Transport richtung (46) des Kühlmittels voneinander beabstandet in den Kühlpfad (39) integrierte Temperatursensoren (52,54) umfasst, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die bei den Temperatursensoren (52,54) in Transportrichtung (46) des Kühlmittels vor einer Passage (24) des Massenstroms des Kühl mittels durch einen Überdeckungsbereich des Kühlpfads (39) mit der Verlustleistungsquelle (14) angeordnet sind, wobei der eine Temperatursensor (52) in Transportrichtung (46) des Kühlmittels im Bereich eines Eintritts (44) des Massenstromes in den Kühlkörper (12) und der weitere Temperatursensor (54) im Nahbereich vor der Passage (24) des Massenstroms durch den Überdeckungsbereich des Kühlkreislaufes (38) mit der Verlust leistungsquelle (14) angeordnet ist, und dass eine Rechenein richtung vorgesehen ist, welche dazu eingerichtet ist, eine Temperaturdifferenz (DT) der beiden erfassten Temperaturen des Kühlmittels zu ermitteln und mit einem Grenzwert zu ver gleichen und eine Erfassungsreihenfolge einer Temperaturände rung des Kühlmittels an den Messstellen zu ermitteln und mit einem Grenzwert zu vergleichen. Railway vehicle, with a cooling path (39), in which we least one power loss source (14) is arranged and which is flowed through by a coolant, and with a temperature sensor for detecting a failure of a mass flow of the coolant, which at least two in the transport direction (46 ) of the coolant spaced apart in the cooling path (39) integrated temperature sensors (52,54), characterized in that in the temperature sensors (52,54) in the transport direction (46) of the coolant before a passage (24) of the mass flow of the cooling means the one temperature sensor (52) in the transport direction (46) of the coolant in the region of an inlet (44) of the mass flow into the heat sink (12) and the further temperature sensor (54) in the vicinity of the passage (24) of the mass flow through the overlapping area h of the cooling circuit (38) with the loss of power source (14) is arranged, and that a Rechenein direction is provided, which is adapted to determine a temperature difference (DT) of the two detected temperatures of the coolant and ver to a limit value and To determine a detection order of Temperaturände tion of the coolant at the measuring points and to compare with a limit.
2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verlustleistungsquelle (14) mit einem in den Kühlpfad (39) integrierten Kühlkörper (12) Wärme leitend gekoppelt ist, an welchem die beiden Tem peratursensoren (52,54) angeordnet sind. 2. Cooling device according to claim 1, characterized in that the power loss source (14) with a cooling path (39) integrated heat sink (12) is heat conductively coupled, on which the two Tem perature sensors (52,54) are arranged.
3. Kühleinrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Mehrzahl von Verlust leistungsquellen (14,30) vorgesehen ist, wobei die beiden Temperatursensoren (52,54) voneinander beabstandet in Trans portrichtung des Kühlmittels vor einer Passage (24,48) des Massenstroms durch einen Überdeckungsbereich des Kühlpfads (39) mit einer der Verlustleistungsquellen (14) angeordnet sind . 3. Cooling device according to claim 2, characterized in that a plurality of loss power sources (14,30) is provided, the two Temperature sensors (52,54) spaced from each other in Trans port direction of the coolant before a passage (24,48) of the mass flow through an overlap region of the cooling path (39) with one of the power loss sources (14) are arranged.
4. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Kühlpfad (39) Teil eines Kühlkreislaufs (38) ist, in welchem ein Wärmetauscher (40) integriert ist. 4. Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling path (39) is part of a cooling circuit (38) in which a heat exchanger (40) is integrated.
5. Verfahren zum Betreiben einer Kühleinrichtung für eine elektrische Anlage, insbesondere für ein Umrichtersystem ei ner elektrischen Anlage eines Schienenfahrzeugs, bei welchem ein Kühlpfad (39) , in welchem wenigstens eine Verlustleis tungsquelle (14,30) angeordnet ist, von einem Kühlmittel durchströmt wird, und bei welchem ein Ausfall eines Massen stromes des Kühlmittels mit einer Temperatursensorik erfasst wird, welche wenigstens zwei in Transportrichtung (56) des Kühlmittels voneinander beabstandet in den Kühlpfad (39) in tegrierte Temperatursensoren (52,54) umfasst, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mittels der beiden Tem peratursensoren (52,54), welche in Transportrichtung (46) des Kühlmittels vor einer Passage (24,48) des Massenstroms durch einen Überdeckungsbereich des Kühlpfads (39) mit der Verlust leistungsquelle (14,30) angeordnet sind, eine jeweilige Tem peratur des Kühlmittels erfasst und anhand dieser ermittelten Temperaturen des Kühlmittels ein Ausfall des Massenstroms überwacht wird, wobei die Temperatur des Kühlmittels in des sen Transportrichtung (56) einerseits im Bereich eines Ein tritts (44) des Massenstromes in den Kühlkörper (12,32) und andererseits im Nahbereich vor der Passage (24,48) des Mas senstroms durch den Überdeckungsbereich des Kühlpfads (39) mit der Verlustleistungsquelle (14, 30) erfasst wird, und mittels einer Recheneinrichtung eine Temperaturdifferenz (DT) der beiden erfassten Temperaturen des Kühlmittels ermittelt und mit einem Grenzwert verglichen wird und dass mittels der Recheneinrichtung eine Erfassungsreihenfolge einer Tempera- turänderung des Kühlmittels an den Messstellen ermittelt und mit einem Grenzwert verglichen wird. 5. A method for operating a cooling device for an electrical system, in particular for an inverter system egg ner electrical system of a rail vehicle, in which a cooling path (39), in which at least one loss of power source (14.30) is arranged, is flowed through by a coolant , And in which a failure of a mass flow of the coolant is detected with a temperature sensor, which at least two in the transport direction (56) of the coolant spaced from each other in the cooling path (39) in tegrierte temperature sensors (52,54), characterized in that means of two Tem perature sensors (52,54), which in the transport direction (46) of the coolant before a passage (24,48) of the mass flow through a coverage area of the cooling path (39) with the loss of power source (14,30) are arranged, a respective Tem detected temperature of the coolant and based on these determined temperatures of the coolant failure of the Mas senstrom is monitored, wherein the temperature of the coolant in the sen transport direction (56) on the one hand in the region of a step (44) of the mass flow in the heat sink (12,32) and on the other hand in the vicinity of the passage (24,48) of the Mas senstroms is detected by the overlap area of the cooling path (39) with the power loss source (14, 30), and by means of a computing device, a temperature difference (DT) of the two detected temperatures of the coolant is determined and compared with a limit value and that by means of the computing device, a detection order of a tempera - temperature change of the coolant is determined at the measuring points and compared with a limit value.
6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die jeweilige Temperatur des Kühl mittels mittels der beiden Temperatursensoren (52,54) an ei nem in den Kühlpfad (39) integrierten Kühlkörper (12,32) er mittelt wird, welcher Wärme leitend mit der Verlustleistungs quelle (14,30) gekoppelt ist. 6. The method according to claim 5, characterized in that the respective temperature of the cooling means of the two temperature sensors (52,54) to egg nem in the cooling path (39) integrated heat sink (12,32) it is averaged, which conducts heat with the Power loss source (14.30) is coupled.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass bei Über schreiten des Grenzwerts ein Signal über den Ausfall des Mas senstroms des Kühlmittels an die elektrische Anlage übermit telt wird. 7. The method according to any one of claims 5 or 6, wherein a threshold signal exceeds the threshold value, a signal is sent to the electrical system about the failure of the mass flow of the coolant to the electrical system.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass durch Aus werten der Temperaturdifferenz und der Erfassungsreihenfolge einer Temperaturänderung des Kühlmittels an den beiden Senso ren ein Temperatursprung des Kühlmittels von einem Ausfall des Massenstromes des Kühlmittels unterschieden wird. 8. The method according to claim 5, wherein a temperature jump of the coolant is distinguished from a failure of the mass flow of the coolant by evaluating the temperature difference and the detection sequence of a temperature change of the coolant at the two sensors.
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