KR20120089765A - 냉각 디바이스 - Google Patents

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KR20120089765A KR1020127016794A KR20127016794A KR20120089765A KR 20120089765 A KR20120089765 A KR 20120089765A KR 1020127016794 A KR1020127016794 A KR 1020127016794A KR 20127016794 A KR20127016794 A KR 20127016794A KR 20120089765 A KR20120089765 A KR 20120089765A
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하이닥 쿨링 게엠베하
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Abstract

본 발명은 그 전력 부품(4)이 열 전도 방식으로 냉각 디바이스(1)에 접속되어 있는 적어도 하나의 제 1 방열부(3)를 포함하고, 유체 운반 접속부(5)가 펌프(7)로부터 제 1 방열부(3)를 경유하여 냉각기(8)로 액체 냉각제(6)를 유도하고, 적어도 제 1 방열부(3)와 냉각기(8) 사이 및 펌프(7)와 제 1 방열부(3) 사이의 유체 운반 접속부(5)에 하나의 차단 디바이스(9, 9')가 각각 존재하는 전원(2)용 냉각 디바이스에 관한 것이다. 냉각 디바이스는 냉각될 적어도 하나의 부품(3, 14) 내의 과압을 회피하기 위해, 유체 도관과 연계하여 부품(3, 14) 내에 위치되고 그리고/또는 유체 운반 접속부(5) 내에 냉각 유체(6)를 프리로딩하기 위한 디바이스(15)의 부분으로서 부품(3, 14)의 하류측에 제공된 체크 밸브(13)의 압력측을 경유하여 부품(3, 14)에 접속되는 적어도 하나의 압력 제한 밸브(17, 28)가 제공되는 것을 특징으로 한다.

Description

냉각 디바이스{COOLING DEVICE}
본 발명은 그 전력 부품이 열 전도 방식으로 냉각 디바이스에 접속되어 있는 적어도 하나의 방열부(heat-dissipating part)를 포함하는 전원용 냉각 디바이스에 관한 것으로서, 유체 운반부가 펌프로부터 제 1 방열부를 경유하여 냉각기(cooler)에 액체 냉각제를 이송하고, 적어도 제 1 방열부와 냉각기 사이 및 펌프와 제 1 방열부 사이의 냉각 디바이스의 유체 운반 접속부에 각각 하나의 차단 디바이스가 존재한다.
이러한 냉각 디바이스는 DE 2 135 677 A호에 개시되어 있다. 종래의 냉각 디바이스는 그 정류기 유닛이 오일 냉각되는 변압기-정류기 디바이스의 부분이다. 정류기 유닛은 개별 정류기 하우징 내에 수용되고, 냉각제 또는 냉각 오일은 파이프라인을 통해 이어서 정류기 유닛을 통해 평행하게 펌프에 의해 펌핑된다. 통과 후에 그리고 정류기 유닛의 냉각 후에, 가열된 냉각제 또는 냉각 오일은 그 냉각제 또는 냉각 오일이 재차 펌프로 이동하는 냉각기로 복귀된다. 각각의 정류기 하우징의 입구 및 출구 부근에는, 파이프라인으로부터 개별 하우징의 분리를 가능하게 하는 밸브가 존재한다.
냉각을 필요로 하는 전력 전자 기기의 부품은 종종 구동 기술 및 전기 에너지 생성의 분야에서 사용된다. 따라서, 예를 들어 DC 전압을 AC 전압으로, AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 전차(streetcar), 하이브리드 버스 또는 트롤리 버스(trolley bus)와 같은 차량의 구동 기술에서 컨버터 모듈의 사용이 공지되어 있다.
풍력 발전소와 같은 전기 에너지를 생성하기 위한 시스템에서, 이들 컨버터는 전기 설비용 하우징 모듈 내에 위치된다. 이 하우징 모듈은 그리드 급전점까지 발전기의 모든 급전 라인을 조합한다. 게다가, 변압기, 컨버터 및 냉각 디바이스는 하우징 내에 유닛으로서 조합될 수 있다. 이러한 컨버터 또는 정류기는 수 1000 kW의 전력 송전을 갖는다. 베이스 본체 내에는, 예를 들어 IGBT와 같은 고속 스위칭 전력 반도체를 바람직하게 포함하고 분기쌍 밸브 세트와 같은 사전 제조된 분기쌍 모듈로서 제조될 수 있는 적어도 2개의 모듈이 존재할 수 있다. 변환 손실의 결과로서 형성되는 열은 종종 부식 및 동결에 대한 보호의 이유로 물-글리콜 혼합물로서 제조되는 냉각 액체가 그를 통해 또는 그 주위로 유동하는 하나 이상의 냉각 요소로 방산된다. 통상적으로, 냉각제 엔트리에 대해 섭씨 70도 미만의 냉각 액체 온도가 유지되어야 한다.
작업이 유지 보수 목적으로 이 전력 전자 시스템의 부분에 수행되면, 다량의 냉각 액체가 냉각 디바이스로부터 제거되어야 할 수 있다. 특히, 풍력 터빈의 엔진실(nacelle)과 같은 제한된 공간 조건 하에서, 냉각 액체를 수용하기 위한 적합한 수집 탱크를 셋업하는 것이 종종 거의 가능하지 않다. 더욱이, 이들 시스템으로부터 냉각 액체의 완전한 제거는 시간 소모적이다.
전술된 종래 기술에 기초하여, 따라서 본 발명의 목적은 냉각될 부품의 간단한 교체를 가능하게 하는 냉각될 부품을 위한 냉각 디바이스를 고안하는 것이다.
이 목적은 청구항 1에 설명된 특징을 그대로 갖는 냉각 디바이스에 의해 성취된다.
청구항 1의 특징부에 따르면, 냉각될 적어도 하나의 부품 내의 과압을 방지하기 위해, 유체 도관과 연계하여 부품 내에 위치되고 그리고/또는 유체 운반 접속부 내에 냉각 유체를 프리로딩하기 위한 디바이스의 부분으로서 부품의 하류측에 제공된 체크 밸브의 압력측을 경유하여 부품에 접속되는 적어도 하나의 압력 제한 밸브가 존재한다. 이는 디바이스의 작동 중에 2개의 코크가 부주의하게 폐쇄되어야 하면 컨버터와 같은 부품에 대한 손상을 배제하고, 과압 및 파열(bursting)이 부품 내의 온도 상승에 기인하여 가능할 수 있다. 제 1 대안예에서, 부품 내의 유체 덕트와 연계하여 압력 제한 밸브가 존재하고, 제 2 대안예에서, 부품 내에 생성될 수 있는 과압은 그 압력측이 이어서 시스템 압력을 설정하기 위해 압력 제한 밸브에 접속되는 펌프의 흡입측을 향해 유체 운반 접속부를 경유하여 경감된다.
유체 운반 접속부의 차단이 냉각제를 진공 배기하기 위해 냉각 디바이스의 상류측 및 하류측에서 가능하면, 유지 보수 작업에서, 단지 비교적 작은 체적의 냉각제만이 유지 보수될 부품의 영역으로부터 배수되고 냉각 디바이스로부터 제거될 필요가 있다. 이는 이 배수 프로세스를 위해 요구되는 시간 뿐만 아니라 냉각 액체의 가능한 수집 탱크를 위해 요구되는 공간의 양을 감소시킨다. 제 1 방열부 주위의 냉각 디바이스의 2개의 차단 디바이스 사이의 유체 운반 접속부 내의 밸브는 전원의 방열부의 수리 또는 유지 보수 전에 냉각 액체의 배수를 가능하게 한다.
일 특히 바람직한 예시적인 실시예에서, 그 냉각 디바이스 상의 그리고 특히 이 목적으로 제공된 펌프와 냉각기의 유체 운반 접속부 상의 상류측 및 하류측의 전원의 각각의 추가의 방열부에 대해, 지시된 기능 및 작용을 갖는 차단 디바이스가 존재한다. 냉각제를 위한 유체 운반 접속부 내의 절점(nodal point)의 상류측 및 하류측에 영구 차단 디바이스를 배열하는 것이 또한 유리할 수 있다.
차단 디바이스는 바람직하게는 좌밸브(seated valve) 디자인으로 가능한 차단 작동 위치를 갖는 임의의 형태의 밸브일 수 있다. 예를 들어 수동 작동을 위한 코크의 형태의 간단한 구조체의 차단 밸브를 사용하는 것이 유리할 수 있다. 코크의 작동 위치는 냉각 디바이스의 경제적 디자인에서 외부로부터 시각적으로 인식될 수 있다.
전원의 전력 전자 기기의 방열부의 상류측 및 하류측의 유체 운반 접속부의 자동 차단은 체크 밸브 또는 파일럿 작동식 체크 밸브의 사용에서 발생한다. 파일럿 작동식 체크 밸브는 분위기 압력을 약간 초과하는 냉각제 압력에서 방열부로부터 이격하여 하류측으로 그리고 방열부를 향해 상류측으로 냉각제 유동의 유동 방향에서 개방된다. 냉각제용 펌프가 전원의 유지 보수 단계 중에 턴오프되고 유체 운반 접속부 내의 압력 강하가 경계 압력으로 설정되면, 체크 밸브는 방열부의 상류측 및 하류측에서 자동으로 폐쇄된다.
펌프가 턴오프된 후에, 냉각 디바이스 내의 압력은 예를 들어 냉각 디바이스용 균등화 용기 상에 배수되는 냉각제에 의해 낮아질 수 있다.
본 발명에 따른 냉각 디바이스의 일 특히 바람직한 실시예에서, 모든 방열부는 펌프의 고압측의 하류측에 위치된다. 이 방식으로, 각각의 방열부 전후에, 차단 디바이스는 부품을 위한 냉각제용 유체 운반 접속부 내에 삽입될 수 있고 각각의 방열부의 가능한 유지 보수 또는 수리시에 자체로 냉각제 회로로부터 분리될 수 있어 영구 시스템 부품의 냉각제의 체적만이 배수될 필요가 있게 된다. 이는 시스템의 재시동을 용이하게 하고, 냉각제 액체 내로의 공기 기포 또는 가스 기포 혼입의 위험을 방지하고, 이는 다르게는 펌프의 "맥동(pulsation)" 및/또는 재시동시에 공동화(cavitation) 현상을 유도할 수 있다.
냉각 디바이스의 일 예시적인 실시예에서, 바람직하게는 냉각 요소 상에 지지되는 컨버터 내에 적어도 하나의 방열부가 존재한다. 전기 정류기에서, 전기 에너지는 일반적으로 인식되는 바와 같이, 3-상 다이오드 브리지 회로 내의 직류로 변환된다. 따라서, 캐패시터가 직류의 평활화를 위한 평활화 요소로서 사용된다. 다음에, 전류는 트랜지스터 모듈 및 IGBT 모듈을 갖는 인버터 회로 내의 주파수 변환에 의해 다시 변환된다.
전기 컨버터에서, 변환 손실이 열이 생성되는 상태로 다이오드 브리지, 트랜지스터 모듈 및 IGBT 모듈, 뿐만 아니라 재변환 요소에서 발생한다. 형성되는 열은 냉각 요소에 방산된다. 다소 일정한 작동 압력을 얻기 위해, 냉각 디바이스 내의 냉각 액체 또는 액체 냉각제의 프리로딩을 위한 디바이스가 바람직하게 존재한다. 다이어프램 어큐뮬레이터, 피스톤 어큐뮬레이터 또는 가스 어큐뮬레이터로서 설계될 수 있는 어큐뮬레이터가 이 목적으로 사용된다. 어큐뮬레이터 내의 액체 압력은 압력 밸브에 의해 설정되고, 이 방식으로 제한된다. 본 발명에 따른 냉각 디바이스는 그 설비 및 마스트 상의 엔진룸이 유지 보수 요원, 공구 및 디바이스 또는 도구를 위한 제한된 공간을 이용 가능하게 하는 풍력 발전소에 대해 특히 적합하다. 종종, 이들 시스템의 부품의 유지 보수에 있어서, 차단 디바이스가 대응 부품 또는 방열부의 상류측 또는 하류측에서 폐쇄된 후에 단지 수 리터의 냉각 액체만이 배수될 필요가 있다.
본 발명이 도면을 사용하여 이하에 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 냉각 디바이스의 제 1 예시적인 실시예의 개략 회로 다이어그램.
도 2는 본 발명에 따른 냉각 디바이스의 다른 예시적인 실시예의 회로 다이어그램.
도 1은 그 필수적인 부품을 갖는 풍력 발전소의 전원(2)용 냉각 디바이스(1)를 개략 회로 다이어그램으로 개략적으로 도시한다. 냉각 디바이스(1)는 필터 및 스너버 캐패시터(snubber capacitor)를 갖는 캐패시터 모듈 및 컨버터(14)의 반도체 모듈과 같은 전력 부품(4)을 냉각하는데 사용된다. 컨버터(14)는 손실을 받게 되는 방열부(3)가 장착되는 냉각 플레이트(4)를 갖는 하우징(18)을 갖는다. 냉각 플레이트(4)는 물-글리콜 혼합물로서 바람직하게 제조되는 액체 냉각제(6)에 의해 플러싱된다. 컨버터(14) 내의 방열부(3)의 작동 온도는 따라서 반도체 소자의 자체 파괴가 회피되는 온도로 유지된다.
냉각 디바이스(1)는 펌프(7)로부터 튜브 또는 호스의 형태의 냉각기(8)로의 유체 운반 접속부(5)를 갖는다. 펌프(7)는 바람직하게는 원심 펌프로서 제조되고 구동 샤프트(21)를 경유하여 전기 모터(20)에 의해 구동된다. 펌프(7)는 더욱이 대응적으로 큰 체적 유동을 위해 설계된다. 냉각 디바이스(1)의 작동 압력은 예를 들어 약 4 bar이어야 한다. 절점(10)에서 펌프(7)의 상류측의 유체 운반 접속부(5)에는, 전체 라인 네트워크 내의 냉각제(6)의 프리로딩 및 접속된 냉각 플레이트(4)를 프리로딩하기 위한 디바이스(15)를 형성하는 어큐뮬레이터(16)로의 접속부가 존재한다. 어큐뮬레이터 압력을 설정하기 위한 압력 밸브(17)가 존재한다.
절점(10)의 상류측에는, 차단 디바이스(9)가 존재한다. 차단 디바이스(9)는 코크(cock)(12)로서 제조된다. 코크(12)는 수동으로 작동될 수 있고, 바람직하게는 볼 밸브로서 제조된다. 코크(12)의 상류측에는 냉각 플레이트(4)를 갖는 컨버터(14)가 있고, 이 컨버터는 냉각 플레이트(4)를 통해 유동하는 냉각 매체에 부품(3)의 열이 방산될 수 있게 한다. 컨버터(14)의 하우징(18)의 상류측에서, 유체 운반 접속부(5)는 전방으로 운반되고, 제 2 차단 디바이스(9')를 갖는다. 도 1은 수동으로 작동되는 볼 밸브로서 제 2 차단 디바이스(9')를 도시한다. 도 2에 도시된 예시적인 실시예에서, 볼 코크 대신에, 체크 밸브(13)로서 제조되는 차단 밸브(11)가 존재한다. 체크 밸브(13)는 컨버터(14)로의 방향에서 유동에 대해 차단하지만, 압력 작동식 방식으로 컨버터(14)의 유출을 위해 개방될 수 있다.
차단 밸브(9, 9')는 잔여 냉각 시스템으로부터 컨버터(14)의 분리를 가능하게 한다. 컨버터(14)의 냉각 플레이트(4)로부터 냉각제(6)의 배수는, 전술된 바와 같이 유지 보수 목적으로 컨버터(14)의 부품을 노출시키기 위해 이 방식으로 특히 용이하게 가능하게 된다.
냉각기(8)를 지나 펌프(7)로 복귀하는 냉각제 유동을 가능하게 하는 바이패스 라인(25)의 절점(24)이 제 2 차단 디바이스(9')의 상류측에 장착된다. 냉각제 순환이 일반적으로 펌프(7)로 복귀하여 발생하는 냉각기(8)는 모터(26)에 의해 구동되고 방열부(3)를 위한 냉각제의 충분한 열 저장 용량을 이용 가능하게 하는데 적합한 온도로 냉각제를 재냉각하도록 치수 설정될 수 있는 냉각팬을 갖는다.
도 1 및 도 2는 냉각 디바이스의 단지 하나의 예시적인 용례, 특히 차단 디바이스(9, 9') 사이의 방열부(3)의 통합을 도시한다. 또한, 방열부(도시 생략)는 직렬 접속의 방식으로 전술된 차단 디바이스(9, 9') 사이에 유사하게 통합될 수 있다.
설명된 바와 같이, 도 1의 예에서, 차단 디바이스(9, 9')는 컨버터(14)의 상류측 및 하류측의 차단 밸브, 예를 들어 볼 밸브(12)로서 설계된다. 컨버터(14)의 손상을 배제하기 위해, 양 코크가 디바이스의 작동 중에 부주의학 폐쇄되고 과압 및 파열이 컨버터(14) 내의 온도 상승에 기인하여 가능할 수 있으면, 도 1로부터의 예에서, 컨버터(14) 내의 유체 덕트와 연계하여 압력 제한 밸브(28)가 존재한다. 도 2로부터 예시적인 실시예에서 명백한 바와 같이, 컨버터(14)의 하류측에 제공된 차단 디바이스(9')가 컨버터(14) 내에 생성될 수 있는 과압이 바이패스 라인(25)을 포함하는 유체 운반 접속부(5)를 경유하여 펌프(7)의 흡입측을 향해 경감되는 체크 밸브(13)에 의해 형성되기 때문에 컨버터(14) 상에 압력 제한 밸브가 존재하지 않고, 펌프의 압력측은 이어서 절점(10)을 경유하여 시스템 압력을 설정하기 위해 압력 제한 밸브(17)에 접속된다.
1: 냉각 디바이스 2: 전원
3: 방열부 4: 냉각 플레이트
5: 유체 운반 접속부 6: 냉각제
7: 펌프 8: 냉각기
9: 차단 디바이스 10: 절점
12: 코크 13: 체크 밸브
14: 컨버터 26: 모터

Claims (14)

  1. 그 전력 부품들(4)이 열 전도 방식으로 냉각 디바이스(1)에 접속되어 있는 적어도 하나의 제 1 방열부(3)를 포함하고, 유체 운반 접속부(5)가 펌프(7)로부터 상기 제 1 방열부(3)를 경유하여 냉각기(8)로 액체 냉각제(6)를 유도하고, 적어도 상기 제 1 방열부(3)와 상기 냉각기(8) 사이 및 상기 펌프(7)와 상기 제 1 방열부(3) 사이의 상기 유체 운반 접속부(5)에 각각 하나의 차단 디바이스(9, 9')가 존재하는 전원(2)용 냉각 디바이스에 있어서,
    냉각될 적어도 하나의 부품(3, 14) 내의 과압을 방지하기 위해, 유체 도관과 연계하여 상기 부품(3, 14) 내에 위치되고 그리고/또는 상기 유체 운반 접속부(5) 내에 냉각 유체(6)를 프리로딩하기 위한 디바이스(15)의 부분으로서 상기 부품(3, 14)의 하류측에 제공된 체크 밸브(13)의 압력측을 경유하여 상기 부품(3, 14)에 접속되는 적어도 하나의 압력 제한 밸브(17, 28)가 존재하는 것을 특징으로 하는 냉각 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 방열부(3)와 상기 유체 운반 접속부(5) 내의 절점(10) 또는 상기 방열부의 상류측 및 하류측에 위치된 부품 사이의 전원(2)의 각각의 방열부(3)의 상류측 및 하류측에 각각 하나의 차단 디바이스(9, 9')가 존재하는 것을 특징으로 하는 냉각 디바이스.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 적어도 하나의 차단 디바이스(9)는 차단 밸브(11)로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각 디바이스.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 차단 디바이스(9)는 작동 가능한 코크(12)로서 설계되는 것을 특징으로 하는 냉각 디바이스.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 차단 디바이스(9)는 볼 밸브로서 설계되는 것을 특징으로 하는 냉각 디바이스.
  6. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 차단 밸브(11)는 냉각제 유동 방향에서 볼 때, 상기 냉각 디바이스(1)의 작동 압력에서 상기 방열부(3)로부터 이격하여 개방하는 체크 밸브(13) 또는 파일럿 작동식 체크 밸브인 것을 특징으로 하는 냉각 디바이스.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 디바이스(1)에 의해 공급된 모든 방열부(3)는 상기 펌프(7)의 하류측에 위치되는 것을 특징으로 하는 냉각 디바이스.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 상기 제 1 방열부(3)는 컨버터(14)의 부품인 것을 특징으로 하는 냉각 디바이스.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 액체(6)는 물-글리콜 혼합물인 것을 특징으로 하는 냉각 디바이스.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 디바이스(1)는 상기 유체 운반 접속부(5) 내의 냉각 액체(6)의 프리로딩을 위한 디바이스(15)를 갖는 것을 특징으로 하는 냉각 디바이스.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 냉각 액체(6)의 프리로딩을 위한 디바이스(15)는 어큐뮬레이터(16)를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 디바이스.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 시스템 내의 냉각 액체 압력은 적어도 하나의 압력 밸브(17)에 의해 제한되는 것을 특징으로 하는 냉각 디바이스.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 디바이스(1)는 풍력 발전소의 부분인 것을 특징으로 하는 냉각 디바이스.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 냉각 디바이스(1)는 풍력 발전소의 하우징 모듈 내에 수용되는 것을 특징으로 하는 냉각 디바이스.
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