WO2001045163A1 - Stromrichtergerät mit einer zweiphasen-wärmetransportvorrichtung - Google Patents

Stromrichtergerät mit einer zweiphasen-wärmetransportvorrichtung Download PDF

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Ingolf Hoffmann
Hermann Mickal
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
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Definitions

  • the invention relates to a converter device with lost heat-producing components and power modules which are connected to one another in an electrically conductive manner and are arranged spatially separated from one another, the power modules being connected in a heat-conducting manner to a two-phase heat transport device.
  • a cooling device for an electrical assembly in a mobile structure is known from EP 0 771 138 B1.
  • This known cooling device for electrical assemblies comprises heat pipes closed in a loop or essentially U-shaped heat pipes. Each heat pipe is connected with its heating section in a heat-conducting manner to a heat-absorbing block. This heat-absorbing block can also form the heating section of each heat pipe, as a result of which there is no heat transfer between the heating section and the heat-absorbing block.
  • This heat-absorbing block is mounted on a side wall of the housing so that the electrical assemblies face the inside of the housing and forms part of the side wall of this housing.
  • each heat pipe does not protrude into the housing, the space utilization of the housing is improved such that it is possible to install more assemblies in the housing or to reduce the size of the housing.
  • the heat radiating section of each heat pipe is provided with a larger number of plate-shaped cooling fins.
  • a cylindrical cover is mounted such that this cover extends along an air flow generated by the train's travel.
  • Support plates for supporting the heat pipes for the purpose of reinforcement are mounted on the inside of the covers. These support plates also serve as heat radiating plates. Since the warm ⁇ ) tt t- 1 (- »
  • Liquids form different partial pressures, which causes the function of the heat pipe to collapse.
  • the operating principle of the loop heat pipes is comparable to that of a heat pipe.
  • the capillary structure With the Loop Heat Pipe, the capillary structure is locally restricted to the evaporator. This is where the liquid-vapor phase transition takes place. This steam is led to the condenser through a separate flexible line. In this, the heat is given off to air or water via a heat exchanger.
  • the condensed refrigerant of the Loop Heat Pipe flows back to the evaporator using a second separate flexible line. This circuit is driven by the pressure difference generated in the capillary. This hydrostatic capillary pressure depends, among other things, on the surface tension of the coolant in the Loop Heat Pipe. The amount of heat dissipated in the condenser determines the temperature level of the entire system.
  • the invention is based on the object of developing a two-phase heat transfer device of a converter device in such a way that increased heat loss can be dissipated.
  • a loop heat pipe is used as a two-phase heat transport device of a converter device instead of a heat pipe, the evaporator of which is connected in a heat-conducting manner to the power modules of the converter device a significantly increased amount of heat can be dissipated without the two-phase heat transport device collapsing.
  • the power modules can be arranged as required in converter devices, since evaporators and condensers can be accommodated in the converter device separately from one another.
  • each component that produces heat loss is connected in a heat-conducting manner to an evaporator of the two-phase heat transport device.
  • These heat-producing components include semiconductor components, capacitors, resistors, chokes and transformers.
  • a temperature control valve is arranged in the connecting line leading to the condenser. This temperature control valve provides condensation protection for the condenser.
  • the motor is thermally conductively connected to further evaporators of the two-phase heat transport device.
  • the heat transfer device of the converter device t P 1 o L ⁇ oo L ⁇
  • the heat flow density to be dissipated by the power module 12 is identified by Pj .n .
  • a heat exchanger in the fluid / gas embodiment is provided as the condenser 4. This heat exchanger 4 removes a quantity of heat, which is designated P out .
  • the direction of air flow is marked with arrow A.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the known loop heat pipe in more detail.
  • This embodiment differs from the embodiment according to FIG. 1 in that it is not a fluid / gas heat exchanger but a fluid / coolant heat exchanger that is used as the heat exchanger.
  • the direction of flow of the coolant for example water, is indicated by the arrow B.
  • the known loop heat pipe is only shown with an evaporator 2.
  • This known loop heat pipe can also have several evaporators 2. Since the compensation chamber 10 is structurally combined with the evaporator 2, a plurality of compensation chambers 10 are then also present.
  • This loop heat pipe with several evaporators 2 can have several separate refrigerant circuits, which are spatially combined on the condenser 4.
  • a refrigerant circuit can also be present, which has branches in front of each compensation chamber 10 and after each evaporator 2.
  • the condenser 4 is dimensioned such that the required amount of heat P ou t can be dissipated.
  • a temperature control valve 14 which connects the evaporator 2 to the condenser 4, is installed to protect against condensation.
  • This temperature control valve 14 is shown by a broken line, since it is an option.
  • 3 shows an embodiment of the known loop heat pipe with a plurality of evaporators 2 in the case of components 16 of a converter device which produce heat loss.
  • These heat-producing components 16 are capacitors, for example a protective circuit
  • each evaporator 2 is connected to the condenser 4 by means of the connecting lines 6 and 8.
  • the connecting lines 6 and the connecting lines 8 are each connected to a collector piece 18 and a distributor piece 20.
  • the collector piece 18 is connected to the condenser 4, the distributor piece 20 being linked on the input side to the condenser 4.
  • the condenser 4 can be used in the fluid / gas or fluid / coolant embodiment. In order to show that these two embodiments can be used side by side with equal rights, both options are shown in a condenser 4 in this illustration.
  • FIG. 4 shows a transformer of a converter device which has an evaporator 2 with an integrated compensation chamber 10 of the loop heat pipe.
  • This evaporator 2 with compensation chamber 10 is mounted once on the core (solid line) and once integrated into the core (broken line).
  • the flexible connecting lines 6 and 8, in which the refrigerant of the loop heat pipe is transported in the vapor phase or in the liquid phase, are connected to the evaporator 2 with the compensation chamber 10. Due to the heat-conducting connection between evaporator 2 with compensation chamber 10 and the transformer, the latter is forced-cooled and thus relieves the interior of the converter device of its power loss.
  • the installation site Since the evaporator 2 and the condenser 4 are spatially separated from one another in the loop heat pipe, the installation site has components 12 that produce power losses and has no influence on its type of cooling. However, this can reduce the construction volume of the converter device ⁇ t to P> P 1

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Abstract

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

Description

Beschreibung
Stromrichtergerät mit einer Zweiphasen-Wärmetransportvorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Stromrichtergerät mit ver- lustwärmeproduzierenden Bauelementen und Leistungsmodulen, die miteinander elektrisch leitend verbunden und voneinander räumlich getrennt angeordnet sind, wobei die Leistungsmodule mit einer Zweiphasen-Wärmetransportvorrichtung wärmeleitend verbunden sind.
Aus der EP 0 771 138 Bl ist eine Kühlungsvorrichtung für eine elektrische Baugruppe in einer fahrbaren Struktur bekannt. Diese bekannte Kühlungsvorrichtung für elektrische Baugruppen umfaßt zu einer Schleife geschlossene Heat Pipes bzw. im wesentlichen U-förmige Heat Pipes. Jede Heat Pipe ist mit seinem Heizabschnitt wärmeleitend mit einem wärmeabsorbierenden Block verbunden. Dieser wärmeabsorbierende Block kann auch den Heizabschnitt jeder Heat Pipe bilden, wodurch jeweils ein Wärmeübergang zwischen Heizabschnitt und wärmeabsorbierenden Block entfällt. Dieser wärmeabsorbierende Block ist so an einer Seitenwand des Gehäuses montiert, daß die elektrischen Baugruppen der Innenseite des Gehäuses zugewandt sind, und einen Teil der Seitenwand dieses Gehäuses bildet. Dadurch, daß der Heizabschnitt jeder Heat Pipe nicht in das Gehäuse hineinragt, wird die Raumausnutzung des Gehäuses derart verbessert, daß es möglich ist, mehr Baugruppen in dem Gehäuse zu installieren oder die Größe des Gehäuses zu verringern. Der wärmeabstrahlende Abschnitt jeder Heat Pipe ist mit einer größeren Anzahl von plattenförmigen Kühlrippen versehen. Zum Schutz dieser Kühlrippen ist eine zylindrische Abdeckung derart montiert, daß sich diese Abdeckung längs eines durch die Fahrt des Zuges erzeugten Luftstroms erstreckt. Stützplatten zur Abstützung der Heat Pipes zum Zwecke der Verstärkung sind auf der Innenseite der Abdeckungen montiert. Diese Stützplatten dienen auch als wärmeabstrahlende Platten. Da der wärme- ι ) t t t-1 (-»
LΠ o LΠ o LΠ o LΠ
Figure imgf000004_0001
Flüssigkeit bilden verschiedene Partialdrücke aus, wodurch die Funktion der Heat Pipe kollabiert.
Neben diesen Heat Pipes als Zweiphasen-Wärmetransportvorrich- tung gibt es kapillargepumpte Loops (CPL) und Loop Heat Pipes (LHP) . Auf der 29th International Conference on Environmental Systems, Denver, Colorado, USA, 12.-15. Juli 1999, wurde von Jentung Ku die Betriebscharakteristik von Loop Heat Pipes vorgestellt .
Das Funktionsprinzip der Loop Heat Pipes ist vergleichbar mit dem einer Heat Pipe. Bei der Loop Heat Pipe ist die Kapillarstruktur örtlich auf den Verdampfer beschränkt. In diesem findet der Phasenübergang Flüssig - Dampf statt. Dieser Dampf wird durch eine separate flexible Leitung zum Verflussiger geführt. In diesem wird die Wärme über einen Wärmetauscher an Luft oder Wasser abgegeben. Das kondensierte Kältemittel der Loop Heat Pipe strömt mittels einer zweiten separaten flexiblen Leitung zum Verdampfer zurück. Angetrieben wird dieser Kreislauf durch die in der Kapillare erzeugte Druckdifferenz. Dieser hydrostatische Kapillardruck ist unter anderem von der Oberflächenspannung des Kühlmittels der Loop Heat Pipe abhängig. Die im Verflüssiger abgeführte Wärmemenge bestimmt das Temperaturniveau des gesamten Systems.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Zweiphasen-Wärmetransportvorrichtung eines Stromrichtergerätes derart weiterzubilden, daß eine erhöhte Verlustwärme abgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 gelöst.
Dadurch, daß als Zweiphasen-Wärmetransportvorrichtung eines Stromrichtergerätes anstelle einer Heat Pipe eine Loop Heat Pipe verwendet wird, deren Verdampfer wärmeleitend mit dem Leistungsmodulen des Stromrichtergerätes verbunden ist, kann eine wesentlich erhöhte Wärmemenge abgeführt werden, ohne daß die Zweiphasen-Wärmetransportvorrichtung kollabiert. Außerdem kann man die Leistungsmodule in Stromrichtergeräte beliebig anordnen, da Verdampfer und Verflüssiger beliebig voneinander getrennt im Stromrichtergerät untergebracht werden können.
Das heißt, der Kühlort von verlustwärmeproduzierenden Bauelementen ist von ihrem Montageort räumlich getrennt. Dadurch kann das Bauvolumen des Stromrichtergerätes wesentlich reduziert werden. Praktisch ist es, wenn der Verflussiger in un- mittelbarer Nähe einer Seitenwand bzw. Teil einer Seitenwand des Stromrichtergerätes ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Stromrichtergerä- tes ist jedes verlustwärmeproduzierende Bauelement mit einem Verdampfer der Zweiphasen-Wärmetransportvorrichtung wärmeleitend verbunden. Zu diesen verlustwärmeproduzierenden Bauelementen gehören Halbleiterbauelemente, Kondensatoren, Widerstände, Drosseln und Transformatoren. Durch die Verwendung weiterer Verdampfer bei der Zweiphasen-Wärmetransportvorrich- tung des Stromrichtergerätes dient das Bauvolumen nicht mehr als Auf ahmereservoire für die von Kondensatoren, Drosseln und Transformator produzierte Verlustwärme, wodurch eine weitere Reduzierung des Bauvolumens des Stromrichtergerätes vorgenommen werden kann. Außerdem erhält man ohne Zusatzaufwand ein Stromrichtergerät mit hoher Schutzart.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Zweiphasen-Wärmetransportvorrichtung des Stromrichtergerätes ist in der zum Verflussiger führenden Verbindungsleitung ein Tempe- raturregelventil angeordnet. Mit diesem Temperaturregelventil erhält man ein Betauungsschutz für den Verflüssiger.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Strom- richtergerätes , das mit einem Motor eine Baueinheit bildet, ist der Motor mit weiteren Verdampfern der Zweiphasen-Wärmetransportvorrichtung wärmeleitend verbunden. Dadurch wird durch die Wärmetransportvorrichtung des Stromrichtergerätes ) t P1 o LΠ o o LΠ
Figure imgf000007_0001
dem Verdampfer 2 wärmeleitend verbindet. Die vom Leistungsmodul 12 abzuführende Wärmestromdichte ist mit Pj.n gekennzeichnet. Als Verflüssiger 4 ist ein Wärmetauscher in der Ausführungsform Fluid/Gas vorgesehen. Dieser Wärmetauscher 4 führt eine Wärmemenge ab, die mit Pout bezeichnet ist. Die Strömungsrichtung der Luft ist mit dem Pfeil A gekennzeichnet.
In der FIG 2 ist eine zweite Ausführungsform der bekannten Loop Heat Pipe näher dargestellt. Diese Ausführungsform un- terscheidet sich von der Ausführungsform gemäß FIG 1 dadurch, daß als Wärmetauscher kein Fluid/Gas-Wärmetauscher , sondern ein Fluid/Kühlmittel-Wärmetauscher verwendet wird. Bei dieser Ausführungsform ist die Strömungsrichtung des Kühlmittels, beispielsweise Wasser, mit dem Pfeil B gekennzeichnet.
Der Übersichtlichkeit halber ist die bekannte Loop Heat Pipe nur mit einem Verdampfer 2 dargestellt. Diese bekannte Loop Heat Pipe kann auch mehrere Verdampfer 2 aufweisen . Da die Kompensationskammer 10 baulich mit dem Verdampfer 2 vereint ist, sind dann auch mehrere Kompensationskammern 10 vorhanden. Diese Loop Heat Pipe mit mehreren Verdampfern 2 kann mehrere getrennte Kältemittelkreisläufe haben, die räumlich am Verflüssiger 4 vereint sind. Es kann auch ein Kältemittelkreislauf vorhanden sein, der Verzweigungen vor jeder Kompen- sationskammer 10 und nach jedem Verdampfer 2 aufweist. Bei einer derartigen Ausführungsform ist der Verflussiger 4 so dimensioniert, daß die erforderliche Wärmemenge Pout abgeführt werden kann.
Zum Betauungsschutz ist bei einer vorteilhaften Ausführungs- form ein Temperaturregelventil 14 in der Verbindungsleitung 6, die den Verdampfer 2 mit dem Verflüssiger 4 verbindet, eingebaut. Dieses Temperaturregelventil 14 ist mittels einer unterbrochenen Linie dargestellt, da es sich um eine Option handelt. Die FIG 3 zeigt eine Ausführungsform der bekannten Loop Heat Pipe mit mehreren Verdampfern 2 bei verlustwärmeproduzierenden Bauelementen 16 eines Stromrichtergerätes. Bei diesen verlustwärmeproduzierenden Bauelementen 16 handelt es sich um Kondensatoren, beispielsweise einer Schutzbeschaltung
(Snubber Circuit) oder eines Zwischenkreiskondensators eines spannungseinprägenden Umrichters. Wie diese Darstellung zeigt, ist jeder Verdampfer 2 mittels der Verbindungsleitungen 6 und 8 mit dem Verflüssiger 4 verbunden. Dabei sind die Verbindungsleitungen 6 bzw. die Verbindungsleitungen 8 jeweils mit einem Sammelstück 18 bzw. einem Verteilstück 20 verbunden. Ausgangsseitig ist das Sammelstück 18 mit dem Verflüssiger 4, wobei das Verteilstück 20 eingangsseitig mit dem Verflüssiger 4 verknüpft ist. Der Verflussiger 4 kann in der Ausführungsform Fluid/Gas bzw. Fluid/Kühlmittel verwendet werden. Um darzustellen, daß diese beiden Ausführungsformen gleichberechtigt nebeneinander verwendet werden können, ist in dieser Darstellung beide Möglichkeiten in einem Verflüssiger 4 dargestellt.
In der FIG 4 ist ein Transformators eines Stromrichtergerätes dargestellt, der einen Verdampfer 2 mit integrierter Kompensationskammer 10 der Loop Heat Pipe aufweist. Dieser Verdampfer 2 mit Kompensationskammer 10 ist einmal auf den Kern mon- tiert (durchgezogene Linie) und einmal in den Kern integriert (unterbrochene Linie) . Am Verdampfer 2 mit Kompensationskammer 10 sind die flexiblen Verbindungsleitungen 6 und 8 angeschlossen, in denen das Kältemittel der Loop Heat Pipe in der Dampfphase bzw. in der Flüssigphase transportiert wird. Durch die wärmeleitende Verbindung zwischen Verdampfer 2 mit Kompensationskammer 10 und dem Transformator wird dieser zwangsgekühlt und entlastet somit den Innenraum des Stromrichtergerätes von seiner Verlustleistung. Da bei der Loop Heat Pipe der Verdampfer 2 und der Verflüssiger 4 räumlich voneinander getrennt sind, hat der Montageort verlustleistungsproduzie- render Bauelemente 12 keinen Einfluß auf seine Kühlungsart . Dadurch kann jedoch das Bauvolumen des Stromrichtergerätes ι t to P> P1
LΠ o LΠ o LΠ o LΠ
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Figure imgf000010_0001
gleichzeitig das Bauvolumen des Stromrichtergerätes minimieren. Die Dimensionierung des Stromrichtergerätes ist somit nur noch von der auftretenden Spannung abhängig.

Claims

Patentansprüche
1. Stromrichtergerät mit verlustwärmeproduzierenden Bauelementen (16) und Leistungsmodulen (12) , die miteinander elek- trisch leitend verbunden und voneinander räumlich getrennt angeordnet sind, wobei die Leistungsmodule (12) mit einer Zweiphasen-Wärmetransportvorrichtung wärmeleitend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß diese Zweiphasen-Wärmetransportvorrichtung eine Loop Heat Pipe ist, die wenigstens einen Verdampfer (2) und einen Verflüssiger (4) aufweist, die mittels Verbindungsleitungen (6,8) miteinander verbunden sind, wobei der Verdampfer (2) mit den Leistungsmodulen (12) wärmeleitend verbunden ist.
2. Stromrichtergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes verlustwärmeproduzierende Bauelement (16) mit einem Verdampfer der Loop Heat Pipe wärmeleitend verbunden ist.
3. Stromrichtergerät nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (2) in einen verlustwärmeproduzierenden Bauelement (16) integriert ist.
4. Stromrichtergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß in der zum Verflüssiger (4) führenden Verbindungsleitung (6) ein Temperaturregelventil (14) angeordnet ist.
5. Stromrichtergerät nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verflussiger (4) ein Wärmetauscher ist.
6. Stromrichtergerät nach Anspruch 5, dadurch ge e nzeichne , daß der Wärmetauscher ein Luftwärmetauscher ist.
7. Stromrichtergerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher ein Wasserwärmetauscher ist.
8. Stromrichtergerät nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 7, das mit einem Motor (22) eine Baueinheit bildet, dadurch ge ennzeichnet, daß der Motor (22) mit weiteren Verdampfer (26,28) wärmeleitend verbunden ist, die mittels Verbindungsleitungen (6,8) mit der Wärmetransportvorrichtung des Stromrichtergerätes verknüpft sind.
PCT/DE2000/004267 1999-12-16 2000-11-30 Stromrichtergerät mit einer zweiphasen-wärmetransportvorrichtung WO2001045163A1 (de)

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