WO2010142492A1 - Kühlmediumsleitungsverschaltung zum erreichen sehr gleichmässiger kühltemperaturen und hoher verfügbarkeit insbesondere von leistungsmaschinen - Google Patents

Kühlmediumsleitungsverschaltung zum erreichen sehr gleichmässiger kühltemperaturen und hoher verfügbarkeit insbesondere von leistungsmaschinen Download PDF

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WO2010142492A1
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cooling
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return
flow
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Norbert Huber
Michael Meinert
Armin Rastogi
Karsten Rechenberg
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F28F2250/10—Particular pattern of flow of the heat exchange media
    • F28F2250/104—Particular pattern of flow of the heat exchange media with parallel flow

Definitions

  • Cooling medium line connection for achieving very uniform cooling temperatures and high availability, in particular of power machines
  • the present invention relates to a device according to the preamble of the main claim and a method according to the preamble of the independent claim.
  • a cooling plate In the cooling of power machines, a cooling plate is typically attached to a cooling surface, which dissipates the resulting heat to a fluid cooling medium.
  • the fluid cooling medium may be a cooling fluid or a cooling gas.
  • the cooling medium heats up, which has the consequence that is cooled more in the region of the inlet, as in the outlet.
  • Figure 1 illustrates a conventional embodiment for cooling a power machine.
  • FIG. 2 shows a conventional embodiment of a device for cooling a plurality of components.
  • Such non-uniform cooling causes on the one hand an uneven temperature of the elements to be cooled. Under certain circumstances, this leads to different electrical properties, for example in the case of double-layer capacitors.
  • Another disadvantage is the requirement of very large cooling medium flows, since the cooling must be designed for the most unfavorable location.
  • the coolant flows are designed very large.
  • multiple cooling trains are needed, which requires a greater piping effort, and which requires matching of the cooling trains, for example, by regulating valves.
  • the object is achieved by a device according to the main claim and a method according to the independent claim.
  • a device for cooling at least one component in particular a power machine, provided with at least one fluid cooling medium, with at least one cooling medium line having a length-wise course from an inlet for the cooling medium into the component, in the component, up to an outlet for the cooling medium from the component, wherein from the inlet to a region in the middle of the length, a flow for the cooling medium and from the region in the middle of the length to the outlet are defined a return for the cooling medium; wherein each cooling medium line outside the component (s) additionally passes through a cooling medium pump causing circulation of the cooling medium in the cooling medium line, and through a heat exchanger causing heat to be released from the cooling medium warmed by the component.
  • the invention is characterized in that a course of the return runs along a course of the flow back in the direction of the inlet, to the outlet.
  • a method for cooling at least one component in particular a power machine, is claimed.
  • the method is characterized in that a means of temperatures of the cooling medium in the flow with temperatures of the cooling medium in the return occurs.
  • the advantages of the present invention are more effective cooling. This means that the same cooling medium flow results in a lower hotspot temperature of the power component. te. Furthermore, a more uniform temperature distribution of the power component or the power components is effected. Furthermore, there is a higher reliability for the power components. Finally, all the advantages mentioned result in a higher power density of the component, which accommodates a current trend of many technical developments in energy and electrical engineering.
  • the cooling medium line may have a length-extending profile from an inlet for the cooling medium into a first component, through all components twice, up to an outlet for the cooling medium from the first component, from inlet to to an area in the middle of the length through all components once through the flow for the cooling medium and from the area in the middle of the length back again through all the components can be defined a further time until the exit of the return for the cooling medium.
  • the flow and the return, separated in the region of the center be generated by sections of two separate cooling medium lines, each a fluid cooling medium circulate separately in each cooling medium line and two circuits, each with a cooling medium pump and a heat exchanger can be formed ,
  • This embodiment has the advantage of higher reliability of performance components since circuits are provided redundantly.
  • the fluid cooling media in each cooling medium line can circulate in the same direction. In this way, a first component is cooled better than a last component. This can be advantageous in certain cases.
  • the flow and the return can be integrated in a cooling plate of the component.
  • a cooling plate per component and the return can be integrated in each case a further cooling plate per component.
  • the two cooling plates can be produced in contact with each other flatly.
  • Track sections and the return can be generated by each parallel track sections.
  • a distance between flow and return can be kept constant. The distance may be, for example, up to 15 times a diameter of the cooling medium line.
  • the flow and the return of the cooling medium line, the component (s) in each case over an entire surface of the component (s) sweep.
  • a plurality of pairs of feeds and recirculations can each be formed by sections of two separate cooling medium lines, wherein in each case a fluid cooling medium in each cooling medium line to circulate separately and a plurality of pairs of two circuits can be formed.
  • a fluid cooling medium in each cooling medium line to circulate separately and a plurality of pairs of two circuits can be formed.
  • FIG. 1 shows a conventional embodiment for cooling a larger power machine
  • Figure 2 shows another conventional embodiment of a device for cooling a plurality of components, in particular a plurality of power machines
  • Figure 3 shows an inventive embodiment of a
  • Device for cooling a component in particular a power component, in particular a
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a device according to the invention for cooling a plurality of power components
  • FIG. 5 shows a further embodiment of a device according to the invention for cooling a plurality of power components
  • FIG. 6 shows a further embodiment of a device according to the invention for cooling a plurality of power components.
  • FIG. 1 shows a conventional exemplary embodiment for cooling a larger power machine L.
  • WT denotes a heat exchanger for emitting heat of a cooling medium F warmed up by the component.
  • the heat exchanger WT can also be referred to as a recooler.
  • Reference character P denotes a cooling medium pump for circulation of the cooling medium F in a cooling medium line KL.
  • Reference character K denotes a cooling plate.
  • F denotes the cooling medium.
  • TFin denotes a temperature of the cooling medium F in the vicinity of an entrance E.
  • TFout denotes the temperature of the cooling medium F near an exit A.
  • Tin denotes the temperature of the performance component L close to the cooling medium inlet.
  • E denotes a heat exchanger for emitting heat of a cooling medium F warmed up by the component.
  • the heat exchanger WT can also be referred to as a recooler.
  • Reference character P denotes a cooling medium pump for circulation of the
  • Tout denotes the temperature of the power component L in the vicinity of the cooling medium exit A.
  • the temperature TFin is lower than the temperature TFout.
  • the temperature Tin is also lower than the temperature Tout.
  • This conventional device for cooling a power component L has no return, which runs along a flow back in the direction of the inlet, to the outlet. Entry E and exit A are spaced from each other by a large distance. Furthermore, a return does not take place along a flow back in the direction of the entrance E.
  • the entrance is marked with the reference symbol E.
  • the outlet is marked with the reference symbol A.
  • the cooling plate K flows through, the cooling medium F heats up, with the result that more cooling takes place in the region of the inlet E than at the outlet A.
  • FIG. 2 shows another conventional embodiment of a device for cooling a plurality of components, in particular a plurality of power machines.
  • Reference symbol WT designates a heat exchanger, which can also be referred to as a recooler.
  • Reference character P denotes a cooling medium pump.
  • the cooling medium pump P causes a circulation of a cooling medium F in a cooling medium line KL.
  • the heat exchanger WT causes a release of heat of the heated by a power component L 1 cooling medium F.
  • Ll ... Ln denote the power components to be cooled.
  • Kl ... Kn denote the cooling plates on the respective power components Ll ... Ln.
  • a cooling medium is also marked F.
  • TFl is the temperature of the cooling medium F after the first power component Ll.
  • TFn is the temperature of the cooling medium F according to the nth power component Ln.
  • a temperature T1 is the temperature of the first power component L1 and Tn is the temperature of the nth power component Ln.
  • the temperature TF1 of the cooling medium F after the first power component L1 is smaller than the temperature TFn of the cooling medium F according to the nth power component Ln.
  • the temperature Tl in the first power component Ll is lower than the temperature Tn in the nth power component Ln.
  • Figure 2 shows the case of sequential cooling of a plurality of line components Li.
  • the power component Ln located at the end of the row of the cooling train is cooled worst.
  • E denotes an entry of the cooling medium F into the first power component Ll.
  • A denotes an exit of the cooling medium F from the last component of power Ln to be cooled.
  • FIG 3 shows an inventive embodiment of a device for cooling a component, in particular a power component L, in particular a power machine.
  • WT denotes a heat exchanger for dissipating heat of a cooling medium F warmed by the power component L.
  • L is the power component to be cooled.
  • P denotes a cooling medium pump for circulating the cooling medium F in a cooling medium line KL.
  • L denotes the power component to be cooled.
  • K denotes a cooling plate.
  • a cooling plate K is typically applied to a cooling surface of the power component L, which dissipates the resulting heat to the cooling medium F.
  • E denotes an inlet for the cooling medium F in the power component L.
  • FIG. 3 shows the cooling medium line KL with a lengthwise course from the inlet E for the fluid cooling medium F into the power component L, in the component L, up to the outlet A.
  • the cooling medium line KL passes through a cooling medium pump P and a heat exchanger WT.
  • the return Run R runs along the flow V back toward the entrance E to the exit A.
  • TFin denotes the temperature of the cooling medium F at the entrance E
  • TFout denotes the temperature of the cooling medium F at the exit A. In this case, the temperature TFin is smaller than that Temperature TFout.
  • T1 denotes the temperature near the coolant inlet E.
  • T2 denotes the temperature in the region of the center M of the length of the course from the inlet E for the fluid cooling medium F to the component L, in the component L, up to the outlet A for the cooling medium F from the power component L.
  • the inventive arrangement of flow V and return R, the temperatures Tl and T2 are approximately equal. In this way, a uniform temperature of the power component L is generated.
  • the flow V and the return R can be integrated in a cooling plate K of the component.
  • the flow V can be generated by straight sections arranged at right angles to one another and the return R by paths parallel thereto. The spacing of the flow V to the return R, for example, up to 20 times a
  • Cooling medium line diameter be. This spacing can also be predetermined by a thickness of power components to be cooled (see FIG. 4).
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a device according to the invention for cooling a plurality of power components Li.
  • WT denotes a heat exchanger or recooler for emitting heat of a cooling medium F warmed up by the power components Li.
  • P denotes a cooling medium pump for circulating the cooling medium F in a cooling medium line KL.
  • Ll ... Ln denote the power components to be cooled Li.
  • Kl ... Kn denote cooling plates.
  • F denotes the cooling medium.
  • KL denotes a cooling medium line.
  • E denotes an inlet for the cooling medium F in a first power component Ll.
  • A denotes an outlet for the cooling medium F from the first power component Ll.
  • TF1 is the temperature of the cooling medium F after the first power element L1.
  • TFn is the temperature of the cooling medium F after the nth power component Ln.
  • Tl denotes the temperature of the first power component Ll and Tn denotes the temperature of the nth power component Ln.
  • the temperature TF1 of the cooling medium F after the first power component L1 is smaller than the temperature TFn of the cooling medium F according to the nth power component Ln. According to the present invention, the temperature Tl of the first power component Ll is now approximately equal to the temperature Tn of the nth power component Ln.
  • a flow V and a return R are used for the warming up of power machines.
  • the course of the flow V and the return R of the cooling medium F can be a countercurrent connection an averaging a flow and a wake temperature of the cooling medium F cause.
  • Such an interconnection can be advantageously carried out both for the cooling of a single power component according to FIG. 3 and for a number of power components to be cooled (see FIG. 4).
  • the forward flow V can be integrated in each case in one cooling plate K per component L and the return in each case in a different cooling plate K per component L.
  • An interconnection according to the invention with two separate cooling plates according to FIG. 4 can be realized.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment of a device for cooling a plurality of power components Ln.
  • the reference numerals of Figure 5 correspond to the reference numerals of Figure 4.
  • the two cooling plates K per power component L are generated flat to each other in contact.
  • the temperature corresponds to TFl of Cooling medium F for the first power component Ll the temperature TFn of the cooling medium F after the n.
  • Power component Ln the temperature Tl of the first power component Ll corresponds to the temperature Tn of the nth power component Ln.
  • the flow V and the return R can be integrated into a respective cooling plate K per power component Li.
  • the cooling plates K each have a separate flow V and a separate return R.
  • FIG. 6 a further exemplary embodiment of a device according to the invention for cooling a plurality of power components Li is shown.
  • the same reference numerals of Figure 6 denote the same elements as in Figure 4.
  • Figure 6 illustrates another circuit variant with two separate cooling medium paths, which allow redundant cooling, with two separate streams of cooling media Fl and F2 via separate, redundantdemediums- pumps Pl and P2, and heat exchangers WTl and WT2 have.
  • the supply line V and the return line R are separated in the region of the center M, so that sections of two separate cooling medium lines KL1 and KL2 are formed, wherein in each case a cooling medium FL and F2 in each cooling medium line KL1 and KL2 KL2 separately circulated and two redundant circuits, each with a cooling medium pump P and a heat exchanger WT are formed.
  • a higher reliability for power components L is generated.
  • two embodiments are possible.
  • the fluid cooling media Fl and F2 circulate in opposite directions. In this way, the temperatures Tl of the first power component Ll and the temperature Tn of the nth power component Ln correspond.
  • the temperatures TF1 of the cooling medium F1 correspond to the first power component L1 and the temperature TFn A of the cooling medium F2 corresponds to the nth power component Ln.
  • this embodiment circulates the cooling medium F2 in the clockwise direction.
  • the cooling medium FL circulates counterclockwise.
  • Figure 6 illustrates the second embodiment, in which the fluid cooling media Fl and F2 in each cooling medium line KLl and KL2 in the same direction, according to Figure 6, both in the counterclockwise direction, circulate.
  • the temperature of the Tl of the first power component Ll is then lower than the temperature Tn of the nth power component Ln.
  • the temperature of the cooling medium TFl Fl after the first power component Ll is less than the temperature of the cooling medium B TFn F2 after n. Power component Ln.
  • the flow V in a first case can be integrated in each case in one cooling plate K per power component Li and the return R in in each case one further cooling plate K per power component Li. Furthermore, depending on the power component Li, the two cooling plates K can be produced in area-to-surface contact. According to a further embodiment, the flow V and the return R can be integrated together in each case a cooling plate K per power component Li.
  • a plurality of pairs of feeds V and returns R can each be formed by sections of two separate cooling medium lines KL1 and KL2, wherein in each case one fluid cooling medium F1 and F2 can be circulated separately in each cooling medium line KL1 and KL2 and several pairs of two circuits can be formed.

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Abstract

Es soll bei einer Vorrichtung zur Kühlung mindestens einer Leistungskomponente (L) mit mindestens einer Kühlmediumsleitung (KL), einer Kühlmediumspumpe (P) und einem Wärmetauscher (WT) eine gleichmäßige Temperatur der zu kühlenden Maschinen bewirkt werden. Es sollen zudem Ströme von Kühlmedien (F) klein gehalten werden. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Rücklauf (R) entlang einem Vorlauf (V) zurück in Richtung eines Eintritts (E), bis zu einem Austritt (A) verläuft. Auf diese Weise wird eine Gegenstromverschaltung zur Mittelung einer Vorlauf- und einer Rücklauftemperatur eines Kühlmediums (F) bewirkt. Die Erfindung eignet sich insbesondere für Leistungsmaschinen.

Description

Beschreibung
Kühlmediumsleitungsverschaltung zum Erreichen sehr gleichmäßiger Kühltemperaturen und hoher Verfügbarkeit insbesondere von Leistungsmaschinen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Nebenanspruchs.
Bei der Kühlung von Leistungsmaschinen wird typischerweise an einer Kühlfläche eine Kühlplatte angebracht, die die entstandene Wärme an ein fluides Kühlmedium abführt. Das fluide Kühlmedium kann eine Kühlflüssigkeit oder ein Kühlgas sein. Beim Durchströmen dieser Kühlplatte erwärmt sich das Kühlmedium, was zur Folge hat, dass im Bereich des Eintritts stärker gekühlt wird, als im Austritt. Figur 1 stellt ein herkömmliches Ausführungsbeispiel zur Kühlung einer Leistungsmaschine dar. Ein ähnliches Problem tritt auf im Falle einer sequentiellen Kühlung mehrere Leistungskomponenten. Hier wird die Komponente, die am Ende der Reihe des Kühlzuges liegt am schlechtesten gekühlt. Figur 2 zeigt ein herkömmliches Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Kühlung mehrerer Komponenten. Eine derartige ungleichmäßige Kühlung bewirkt einerseits eine ungleichmäßige Temperatur der zu kühlenden Elemente. Dies führt unter Umständen zu unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften, beispielsweise bei Doppelschichtkondensatoren. Ein weiterer Nachteil ist das Erfordernis sehr großer Kühlmediumsströme, da die Kühlung für den ungünstigsten Ort ausge- legt werden muss.
Herkömmlicherweise werden diese Nachteile in Kauf genommen. Die Kühlmittelströme werden sehr groß ausgelegt. Im Falle eines Systems mehrerer Leistungskomponenten werden mehrere Kühlzüge benötigt, was einen größeren Verrohrungsaufwand erfordert und was eine gegenseitige Abstimmung der Kühlzüge, beispielsweise durch Regulierventile, notwendig macht. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Kühlung von Komponenten, insbesondere Leistungsmaschinen, mit einem fluiden Kühlmedium oder Kühlmittel derart bereitzustellen, dass eine gleichmäßige Temperatur der zu kühlenden Maschinen bewirkt wird. Es sollen Kühlmediumsströme klein gehalten werden.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und einem Verfahren gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zur Kühlung mindestens einer Komponente, insbesondere einer Leistungsmaschine, bereitgestellt mit mindestens einem fluiden Kühlmedium, mit mindestens einer Kühlmediumsleitung mit einem eine Länge aufweisenden Verlauf von einem Eintritt für das Kühlmedium in die Komponente, in der Komponente, bis zu einem Austritt für das Kühlmedium aus der Komponente, wobei von dem Eintritt bis zu einem Bereich in einer Mitte der Länge ein Vorlauf für das Kühlmedium und ab dem Bereich in der Mitte der Länge bis zum Austritt ein Rücklauf für das Kühlmedium definiert sind; wobei jede Kühlmediumsleitung außerhalb der Komponente (n) zusätzlich durch eine Zirkulation des Kühlmediums in der Kühlmediumsleitung bewirkenden Kühlmediumspumpe, und durch einen eine Abgabe von Wärme des durch die Komponen- te aufgewärmten Kühlmediums bewirkenden Wärmetauscher verläuft. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Verlauf des Rücklaufs entlang eines Verlaufs des Vorlaufs zurück in Richtung des Eintritts, bis zu dem Austritt verläuft.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Kühlen mindestens einer Komponente, insbesondere einer Leistungsmaschine, beansprucht. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Mitteln von Temperaturen des Kühlmediums im Vorlauf mit Temperaturen des Kühlmediums im Rücklauf erfolgt.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind eine effektivere Kühlung. Das heißt bei dem selben Kühlmediumsstrom ergibt sich eine niedrigere Hotspottemperatur der Leistungskomponen- te . Des Weiteren wird eine gleichmäßigere Temperaturverteilung der Leistungskomponente oder der Leistungskomponenten bewirkt. Des Weiteren ergibt sich eine höhere Ausfallsicherheit für die Leistungskomponenten. Alle genannten Vorteile resultieren schließlich in einer höheren Leistungsdichte der Komponente, was einem aktuellen Trend vieler technischer Entwicklungen in der Energie- und Elektrotechnik entgegenkommt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann bei mehreren Komponenten die Kühlmediumsleitung einen eine Länge aufweisenden Verlauf von einem Eintritt für das Kühlmedium in eine erste Komponente, durch alle Komponenten zweimal hindurch, bis zu einem Austritt für das Kühlmedium aus der ersten Komponente aufweisen, wobei von dem Eintritt bis zu einem Bereich in der Mitte der Länge durch alle Komponenten einmal hindurch der Vorlauf für das Kühlmedium und ab dem Bereich in der Mitte der Länge wieder zurück durch alle Komponenten ein weiteres Mal hindurch bis zum Austritt der Rücklauf für das Kühlmedium definiert werden können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können der Vorlauf und der Rücklauf, in dem Bereich der Mitte getrennt, durch Abschnitte zweier getrennter Kühlmediumsleitungen erzeugt sein, wobei jeweils ein fluides Kühlmedium in jeder Kühlmediumsleitung getrennt zirkulieren und zwei Kreisläufe mit jeweils einer Kühlmediumspumpe und einem Wärmetauscher ausgebildet sein können. Diese Ausführungsform hat den Vorteil einer höheren Ausfallsicherheit von Leistungskomponenten, da Kreisläufe redundant bereitgestellt sind.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die fluiden Kühlmedien in jeder Kühlmediumsleitung in der gleichen Richtung zirkulieren. Auf diese Weise wird eine erste Komponente besser gekühlt, als eine letzte Komponente. Dies kann in bestimmten Fällen vorteilhaft sein. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können im Fall einer Komponente der Vorlauf und der Rücklauf in einer Kühlplatte der Komponente integriert sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können im Fall mehrerer Komponenten der Vorlauf in jeweils einer Kühlplatte je Komponente und der Rücklauf in jeweils einer weiteren Kühlplatte je Komponente integriert sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können im Fall mehrerer Komponenten je Komponente die beiden Kühlplatten flächig zueinander in Kontakt erzeugt sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können im
Fall mehrerer Komponenten der Vorlauf und der Rücklauf in jeweils einer Kühlplatte je Komponente integriert sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können der Vorlauf durch rechtwinklig zueinander angeordnete gerade
Streckenabschnitte und der Rücklauf durch dazu jeweils parallele Streckenabschnitte erzeugt sein. Ein Abstand zwischen Vorlauf und Rücklauf kann konstant gehalten sein. Der Abstand kann beispielsweise bis zum 15-fachen eines Durchmessers der Kühlmediumsleitung sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können der Vorlauf und der Rücklauf der Kühlmediumsleitung die Komponente (n) jeweils über eine gesamte Oberfläche der Komponente (n) überstreichen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können mehrere Paare von Vorläufen und Rückläufen jeweils durch Abschnitte zweier getrennter Kühlmediumsleitungen ausgebildet sein, wobei jeweils ein fluides Kühlmedium in jeder Kühlmediumsleitung getrennt zirkulieren und mehrere Paare von zwei Kreisläufen ausgebildet sein können. Auf diese Weise kann ei- ne Ausfallsicherheit der Leistungskomponenten weiter erhöht werden. Kühlkreisläufe sind damit redundant bereitgestellt.
Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen :
Figur 1 ein herkömmliches Ausführungsbeispiel zur Kühlung einer größeren Leistungsmaschine; Figur 2 ein weiteres herkömmliches Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Kühlung mehrere Komponenten, insbesondere mehrerer Leistungsmaschinen; Figur 3 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer
Vorrichtung zur Kühlung einer Komponente, insbeson- dere einer Leistungskomponente, insbesondere einer
Leistungsmaschine;
Figur 4 ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Kühlung einer Mehrzahl von Leistungskomponenten; Figur 5 ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Kühlung mehrerer Leistungskomponenten; Figur 6 ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Kühlung einer Mehrzahl von Leistungskomponenten.
Figur 1 zeigt ein herkömmliches Ausführungsbeispiel zur Kühlung einer größeren Leistungsmaschine L. Dabei bezeichnet WT einen Wärmetauscher zur Abgabe von Wärme eines durch die Kom- ponente aufgewärmten Kühlmediums F. Der Wärmetauscher WT kann ebenso als Rückkühler bezeichnet werden. Bezugszeichen P kennzeichnet eine Kühlmediumspumpe für eine Zirkulation des Kühlmediums F in einer Kühlmediumsleitung KL. Bezugszeichen K kennzeichnet eine Kühlplatte. F bezeichnet das Kühlmedium. TFin bezeichnet eine Temperatur des Kühlmediums F in der Nähe eines Eintritts E. TFout bezeichnet die Temperatur des Kühlmediums F nahe eines Austritts A. Tin bezeichnet die Temperatur der Leistungskomponente L nahe des Kühlmediumsein- tritts E. Tout bezeichnet die Temperatur der Leistungskomponente L in der Nähe des Kühlmediumsaustritts A. Dabei ist die Temperatur TFin kleiner als die Temperatur TFout. Des Weiteren ist ebenso die Temperatur Tin kleiner als die Temperatur Tout. Diese herkömmliche Vorrichtung zur Kühlung einer Leistungskomponente L weist keinen Rücklauf auf, der entlang eines Vorlaufs zurück in Richtung des Eintritts, bis zu dem Austritt verläuft. Eintritt E und Austritt A sind voneinander mit einem großen Abstand beabstandet. Des Weiteren erfolgt ein Rücklauf nicht entlang eines Vorlaufes zurück in Richtung des Eintritts E. Der Eintritt ist mit den Bezugszeichen E gekennzeichnet. Der Austritt ist mit dem Bezugszeichen A gekennzeichnet. Beim Durchströmen der Kühlplatte K erwärmt sich das Kühlmedium F, was zur Folge hat, dass im Bereich des Ein- tritts E stärker gekühlt wird, als am Austritt A.
Figur 2 zeigt ein weiteres herkömmliches Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Kühlung mehrere Komponenten, insbesondere mehrerer Leistungsmaschinen. Das Bezugszeichen WT be- zeichnet einen Wärmetauscher, der ebenso als Rückkühler bezeichnet werden kann. Bezugszeichen P bezeichnet eine Kühlmediumspumpe. Die Kühlmediumspumpe P bewirkt eine Zirkulation eines Kühlmediums F in einer Kühlmediumsleitung KL. Der Wärmetauscher WT bewirkt eine Abgabe von Wärme des durch eine Leistungskomponente L1 aufgewärmten Kühlmediums F. Ll ... Ln bezeichnen die zu kühlenden Leistungskomponenten. Kl ... Kn bezeichnen die Kühlplatten an den jeweiligen Leistungskomponenten Ll ... Ln. Ein Kühlmedium ist ebenso mit F gekennzeichnet. TFl ist die Temperatur des Kühlmediums F nach der ersten Leistungskomponente Ll. TFn ist die Temperatur des Kühlmediums F nach der n. Leistungskomponente Ln. Eine Temperatur Tl ist die Temperatur der ersten Leistungskomponente Ll und Tn ist die Temperatur der n. Leistungskomponente Ln. Die Temperatur TFl des Kühlmediums F nach der ersten Leistungskompo- nente Ll ist kleiner, als die Temperatur TFn des Kühlmediums F nach der n. Leistungskomponente Ln. Des Weiteren ist die Temperatur Tl in der ersten Leistungskomponente Ll kleiner, als die Temperatur Tn in der n. Leistungskomponente Ln. Figur 2 zeigt den Fall einer sequentiellen Kühlung mehrerer Leitungskomponenten Li. Hier wird die Leistungskomponente Ln, die am Ende der Reihe des Kühlzugs liegt, am schlechtesten gekühlt. E bezeichnet einen Eintritt des Kühlmediums F in die erste Leistungskomponente Ll. A bezeichnet einen Austritt des Kühlmediums F aus der letzten zu kühlenden Leistungskomponente Ln .
Figur 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Kühlung einer Komponente, insbesondere einer Leistungskomponente L, insbesondere einer Leistungsmaschine. WT bezeichnet einen Wärmetauscher zur Abgabe von Wärme eines durch die Leistungskomponente L aufgewärmten Kühlmediums F. L ist die zu kühlende Leistungskomponente. P bezeichnet eine Kühlmediumspumpe zur Zirkulation des Kühlmediums F in einer Kühlmediumsleitung KL. L bezeichnet die zu kühlende Leistungskomponente. K bezeichnet eine Kühlplatte. Bei der Kühlung von Leistungsmaschinen wird typischerweise an einer Kühlfläche der Leistungskomponente L eine Kühlplatte K ange- bracht, die die entstandene Wärme an das Kühlmedium F abführt. E bezeichnet einen Eintritt für das Kühlmedium F in die Leistungskomponente L. A bezeichnet einen Austritt des Kühlmediums F aus der zu kühlenden Leistungskomponente L. Eintritt E und Austritt A führen das Kühlmedium F in eine Kühlplatte K beziehungsweise aus der Kühlplatte K. Am Austritt A tritt das Kühlmedium F aus der Kühlplatte K bzw. der Leistungskomponente L aus. V bezeichnet einen Vorlauf und R bezeichnet einen Rücklauf für das Kühlmedium F. Figur 3 zeigt die Kühlmediumsleitung KL mit einem eine Länge aufweisenden Verlauf von dem Eintritt E für das fluide Kühlmedium F in die Leistungskomponente L, in der Komponente L, bis zu dem Austritt A für das Kühlmedium F aus der Leistungskomponente L, wobei von dem Eintritt E bis zu einem Bereich in einer Mitte M der Länge der Vorlauf V für das Kühlmedium F und ab dem Bereich in der Mitte M der Länge der Rücklauf R für das Kühlmedium F bis zum Austritt A definiert sind. Außerhalb der Leistungskomponente L führt die Kühlmediumsleitung KL durch eine Kühlmediumspumpe P und einem Wärmetauscher WT. Der Rück- lauf R verläuft entlang dem Vorlauf V zurück in Richtung des Eintritts E bis zu dem Austritt A. TFin bezeichnet die Temperatur des Kühlmediums F am Eintritt E und TFout bezeichnet die Temperatur des Kühlmediums F am Austritt A. Dabei ist die Temperatur TFin kleiner, als die Temperatur TFout. Tl bezeichnet die Temperatur nahe dem Kühlmitteleintritt E. T2 bezeichnet die Temperatur in dem Bereich der Mitte M der Länge des Verlaufs von dem Eintritt E für das fluide Kühlmedium F in die Komponente L, in der Komponente L, bis zu dem Aus- tritt A für das Kühlmedium F aus der Leistungskomponente L. Durch die erfindungsgemäße Anordnung von Vorlauf V und Rücklauf R sind die Temperaturen Tl und T2 annähernd gleich. Auf diese Weise ist eine gleichmäßige Temperatur der Leistungskomponente L erzeugt. Im Falle einer Leistungskomponente L kann der Vorlauf V und der Rücklauf R in einer Kühlplatte K der Komponente integriert sein. Der Vorlauf V kann durch rechtwinklig zueinander angeordnete gerade Streckenabschnitte und der Rücklauf R durch dazu jeweils parallele Streckenabschnitte erzeugt sein. Die Beabstandung des Vorlaufs V zum Rücklauf R kann beispielsweise bis zu dem 20-fachen eines
Kühlmediumsleitungsdurchmessers sein. Diese Beabstandung kann ebenso durch eine Dicke von zu kühlenden Leistungskomponenten vorgegeben sein (siehe Figur 4) .
Figur 4 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Kühlung einer Mehrzahl von Leistungskomponenten Li. WT bezeichnet einen Wärmetauscher oder Rückkühler zur Abgabe von Wärme eines durch die Leistungskomponenten Li aufgewärmten Kühlmediums F. P bezeichnet eine Kühlmediumspumpe zur Zirkulation des Kühlmediums F in einer Kühlmediumsleitung KL. Ll ... Ln bezeichnen die zu kühlenden Leistungskomponenten Li. Kl ... Kn bezeichnen Kühlplatten. F bezeichnet das Kühlmedium. KL bezeichnet eine Kühlmediumsleitung. E bezeichnet einen Eintritt für das Kühlmedium F in ei- ne erste Leistungskomponente Ll. A bezeichnet einen Austritt für das Kühlmedium F aus der ersten Leistungskomponente Ll. Von dem Eintritt E bis zu einem Bereich in einer Mitte M der Länge durch alle Leistungskomponenten Li einmal hindurch, ist ein Vorlauf V für das Kühlmedium F und ab dem Bereich in der Mitte M der Länge wieder zurück durch alle Leistungskomponenten Li ein weiteres Mal hindurch bis zum Austritt A, ist ein Rücklauf R für das Kühlmedium F definiert. TFl ist die Tempe- ratur des Kühlmediums F nach dem ersten Leistungselement Ll. TFn ist die Temperatur des Kühlmediums F nach dem n. Leistungskomponente Ln. Tl bezeichnet die Temperatur der ersten Leistungskomponente Ll und Tn bezeichnet die Temperatur der n. Leistungskomponente Ln. Dabei ist die Temperatur TFl des Kühlmediums F nach der ersten Leistungskomponente Ll kleiner, als die Temperatur TFn des Kühlmediums F nach der n. Leistungskomponente Ln. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist nun die Temperatur Tl der ersten Leistungskomponente Ll in etwa gleich der Temperatur Tn der n. Leistungskomponente Ln.
Gemäß Figur 3 und Figur 4 wird ein Vorlauf V und ein Rücklauf R zum Entwärmen von Leistungsmaschinen verwendet. Den Verlauf des Vorlaufs V und des Rücklaufs R des Kühlmediums F lässt sich durch eine Gegenstromverschaltung eine Mittelung einer Vorlauf- und einer Nachlauftemperatur des Kühlmediums F bewirken. Eine derartige Verschaltung lässt sich sowohl für die Kühlung einer einzelnen Leistungskomponente gemäß Figur 3, als auf für eine Reihe mehrerer zu kühlenden Leistungskomponenten vorteilhaft vornehmen (siehe Figur 4). Gemäß Figur 4 können im Fall mehrerer Leistungskomponenten Li der Vorlauf V in jeweils einer Kühlplatte K je Komponente L und der Rücklauf in jeweils einer anderen Kühlplatte K je Komponente L integriert sein. Es kann eine erfindungsgemäße Verschaltung mit zwei getrennten Kühlplatten gemäß Figur 4 rea- lisiert werden.
Figur 5 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Kühlung mehrerer Leistungskomponenten Ln. Dabei entsprechen die Bezugszeichen der Figur 5 den Bezugszeichen der Figur 4. Im Unterschied zur Figur 4 sind in Figur 5 je Leistungskomponente L die beiden Kühlplatten K je Leistungskomponente L flächig zueinander in Kontakt erzeugt. Auf diese Weise entspricht die Temperatur TFl des Kühlmediums F nach der ersten Leistungskomponente Ll der Temperatur TFn des Kühlmediums F nach der n. Leistungskomponente Ln. Des Weiteren entspricht die Temperatur Tl der ersten Leistungskomponente Ll der Temperatur Tn der n. Leistungskom- ponente Ln. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Fall mehrerer Leistungskomponenten Li, wie es gemäß Figur 5 dargestellt ist, der Vorlauf V und der Rücklauf R in jeweils einer Kühlplatte K je Leistungskomponente Li integriert sein. Gemäß Figur 5 weisen die Kühlplatten K jeweils einen getrennten Vorlauf V und einen getrennten Rücklauf R auf.
Gemäß Figur 6 wird ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Kühlung einer Mehrzahl von Leistungskomponenten Li dargestellt. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen der Figur 6 die gleichen Elemente wie gemäß der Figur 4. Figur 6 stellt eine weitere Schaltungsvariante mit zwei getrennten Kühlmediumswegen dar, die eine redundante Kühlung ermöglichen, wobei zwei getrennte Ströme von Kühlmedien Fl und F2 über getrennte, redundante Kühlmediums- pumpen Pl und P2, sowie Wärmetauscher WTl und WT2 verfügen.
Gemäß der Figur 6 sind der Vorlauf V und der Rücklauf R im Vergleich zu Figur 4 in dem Bereich der Mitte M getrennt, so dass Abschnitte zweier getrennter Kühlmediumsleitungen KLl und KL2 ausgebildet sind, wobei jeweils ein fluides Kühlmedium Fl und F2 in jeder Kühlmediumsleitung KLl und KL2 getrennt zirkuliert und zwei redundanten Kreisläufe mit jeweils einer Kühlmediumspumpe P und einem Wärmetauscher WT ausgebildet sind. Auf diese Weise ist eine höhere Ausfallsicherheit für Leistungskomponenten L erzeugt. Gemäß Figur 6 sind zwei Ausführungsformen möglich. Gemäß einer ersten Ausführungsform zirkulieren die fluiden Kühlmedien Fl und F2 in entgegen gesetzten Richtungen. Auf diese Weise entsprechen sich die Temperaturen Tl der ersten Leistungskomponente Ll und die Tempe- ratur Tn der n. Leistungskomponente Ln. Des Weiteren entsprechen sich die Temperaturen TFl des Kühlmediums Fl nach der ersten Leistungskomponente Ll und die Temperatur TFnA des Kühlmediums F2 nach der n. Leistungskomponente Ln. Gemäß die- ser Ausführungsform zirkuliert im Unterschied zu Figur 6 das Kühlmedium F2 im Uhrzeigersinn. Das Kühlmedium Fl zirkuliert entgegen dem Uhrzeigersinn.
Figur 6 stellt die zweite Ausführungsform dar, bei der die fluiden Kühlmedien Fl und F2 in jeder Kühlmediumsleitung KLl und KL2 in der gleichen Richtung, gemäß Figur 6 beide entgegen dem Uhrzeigersinn, zirkulieren. Gemäß dieser Ausführungsform ist dann die Temperatur des Tl der ersten Leistungskom- ponente Ll kleiner als die Temperatur Tn der n. Leistungskomponente Ln. Des Weiteren ist die Temperatur TFl des Kühlmediums Fl nach der ersten Leistungskomponente Ll kleiner, als die Temperatur TFnB des Kühlmediums F2 nach der n. Leistungskomponente Ln.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen gemäß Figur 6 können in einem ersten Fall der Vorlauf V in jeweils einer Kühlplatte K je Leistungskomponente Li und der Rücklauf R in jeweils einer weiteren Kühlplatte K je Leistungskomponente Li integriert sein. Des Weiteren können je Leistungskomponente Li die beiden Kühlplatten K flächig zueinander in Kontakt erzeugt sein. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung können der Vorlauf V und der Rücklauf R zusammen in jeweils einer Kühlplatte K je Leistungskomponente Li integriert sein.
Es können mehrere Paare von Vorläufen V und Rückläufen R jeweils durch Abschnitte zweier getrennter Kühlmediumsleitungen KLl und KL2 ausgebildet sein, wobei jeweils ein fluides Kühlmedium Fl und F2 in jeder Kühlmediumsleitung KLl und KL2 ge- trennt zirkuliert und mehrere Paare von zwei Kreisläufen ausgebildet sein können.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Kühlung mindestens einer Komponente, insbesondere einer Leistungsmaschine (L) , mit - mindestens einem fluiden Kühlmedium (F) ; mindestens einer Kühlmediumsleitung (KL) mit einem eine Länge aufweisenden Verlauf von einem Eintritt (E) für das Kühlmedium (F) in die Komponente (L) , in der Komponente (L) , bis zu einem Austritt (A) für das Kühlmedium (F) aus der Komponente (L) , wobei von dem Eintritt (E) bis zu einem Bereich in einer Mitte (M) der Länge ein Vorlauf (V) für das Kühlmedium (F) und ab dem Bereich in der Mitte (M) der Länge bis zum Austritt (A) ein Rücklauf (R) für das Kühlmedium (F) definiert sind; wobei jede Kühlmediumsleitung (KL) außerhalb der Kompo- nente (n) zusätzlich durch
- eine eine Zirkulation des Kühlmediums (F) in der Kühlmediumsleitung (KL) bewirkenden Kühlmediumspumpe (P), und durch
- einen eine Abgabe von Wärme des durch die Komponente (L) aufgewärmten Kühlmediums (F) bewirkenden Wärmetauscher (WT) verläuft; dadurch gekennzeichnet, dass der Rücklauf (R) entlang dem Vorlauf (V) zurück in Richtung des Eintritts (E), bis zu dem Austritt (A) verläuft.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren Komponenten (Li) die Kühlmediumsleitung (KL) einen eine Länge aufweisenden Verlauf von einem Eintritt (E) für das Kühlmedium (F) in eine erste Komponente (Kl), durch alle Komponenten (Ll...Ln) zweimal hindurch, bis zu einem Austritt (A) für das Kühlmedium (F) aus der ersten Komponente (Kl) aufweist, wobei von dem Eintritt (E) bis zu einem Bereich in der Mitte (M) der Länge durch alle Komponenten (Ll...Ln) einmal hindurch der Vorlauf (V) für das Kühlmedium (F) und ab dem Bereich in der Mitte (M) der Länge wieder zurück durch alle Komponenten (Ln...Ll) ein weiteres Mal hindurch bis zum Austritt (A) der Rücklauf (R) für das Kühlmedium (F) definiert sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorlauf (V) und der Rücklauf (R) , in dem Bereich der Mit- te (M) getrennt, durch Abschnitte zweier getrennter Kühlmediumsleitungen (KLl, KL2) erzeugt sind, wobei jeweils ein fluides Kühlmedium (Fl, F2) in jeder Kühlmediumsleitung (KLl, KL2) getrennt zirkuliert und zwei Kreisläufe mit jeweils einer Kühlmediumspumpe (P) und einem Wärmetauscher (WT) ausge- bildet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die fluiden Kühlmedien (Fl, F2) in jeder Kühlmediumsleitung (KLl, KL2) in der gleichen Richtung zirkulieren.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall einer Komponente L der Vorlauf (V) und der Rücklauf (R) in einer Kühlplatte (K) der Komponente (L) integriert sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall mehrerer Komponenten (Ll...Ln) der Vorlauf (V) in jeweils einer Kühlplatte (K) je Komponente (L) und der Rücklauf (R) in jeweils einer weiteren Kühlplatte (K) je Komponente (L) integriert sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall mehrerer Komponenten (Ll...Ln) je Komponente (L) die beiden Kühlplatten (K) flächig zueinander in Kontakt erzeugt sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall mehrerer Komponenten (Ll...Ln) der Vorlauf (V) und der Rücklauf (R) in jeweils einer Kühlplatte (K) je Komponente (L) integriert sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorlauf (V) durch rechtwinklig zueinander angeordnete gerade Streckenabschnitte und der Rücklauf (R) durch dazu jeweils parallele Streckenabschnitte erzeugt sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorlauf (V) und der Rücklauf (R) der Kühlmediumsleitung
(KL) die Komponente (n) jeweils über eine gesamte Oberfläche der Komponente (n) überstreichen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Paare von Vorläufen (V) und Rückläufen (R) jeweils durch Abschnitte zweier getrennter Kühlmediumsleitungen (KL) ausgebildet sind, wobei jeweils ein fluides Kühlmedium (F) in jeder Kühlmediumsleitung (KL) getrennt zirkuliert und mehrere Paare von zwei Kreisläufen ausgebildet sind.
12. Verfahren zum Kühlen mindestens einer Komponente, insbe- sondere einer Leistungsmaschine, mit einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
Mitteln von Temperaturen des Kühlmediums (F) im Vorlauf (V) mit Temperaturen des Kühlmediums (F) im Rücklauf (R) .
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