WO2014131589A1 - Umrichterkühlung mit phasenwechselspeicher - Google Patents

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WO2014131589A1
WO2014131589A1 PCT/EP2014/052289 EP2014052289W WO2014131589A1 WO 2014131589 A1 WO2014131589 A1 WO 2014131589A1 EP 2014052289 W EP2014052289 W EP 2014052289W WO 2014131589 A1 WO2014131589 A1 WO 2014131589A1
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phase change
cooling
heat pipe
change memory
arrangement according
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PCT/EP2014/052289
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Bernd Gromoll
Ingolf Hoffmann
Stephan Ippisch
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/20909—Forced ventilation, e.g. on heat dissipaters coupled to components
    • H—ELECTRICITY
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    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/20936—Liquid coolant with phase change

Definitions

  • Converter cooling with phase change memory The present invention relates to cooling devices with phase change memories for converters.
  • IGBT converter Insulated Gate Bipolar Transistor
  • the inventive arrangement for dissipating heat at Ver ⁇ loss performance peaks has a heat sink and a phase Removable storage, wherein the heat sink and the phase change memory are thermally connected to each other via at least one heat pipe.
  • phase change memory In order to limit the temperature of an inverter module to a fixed maximum temperature T max , a phase change memory is thus used, the material of which has a transformation temperature from the solid to the liquid phase at precisely this predetermined maximum temperature T max . Is then thermally coupled in operation with maximum power dissipation of the phase change memory, he takes up the waste heat at a constant temperature ⁇ ture. Thus, power loss peaks are cushioned. To cushion this short-term peak load, the phase change memory must have a very good thermal coupling to the component to be cooled. This coupling is ensured by a heat pipe, in particular a heat pipe. In the subsequent normal operation, the temperatures in the converter module and the heat sink fall again and the phase change memory is discharged by dissipating heat to the environment again. The phase change memory is thus designed in particular for the maximum power loss and the cycle time.
  • the arrangement comprises a heat sink having cooling fins.
  • the arrangement comprises at least one fan which is arranged so that a cooling air flow can be generated parallel to the longitudinal extent of the heat sink, which flows from the condenser part of the heat pipe in the direction of the evaporator part of the heat pipe.
  • the arrangement comprises a Pum ⁇ pe and a liquid channel in which the cooling arrangement is located, said pump and fluid passage arranged to are that a stream of cooling liquid can be generated parallel to theCloudnaus ⁇ expansion of the heat sink, in turn, flows from the condenser part of the heat pipe in the direction of the evaporator part of the heat pipe.
  • the evaporator part of the heat pipe is integrated in the heat sink and the condenser part of the heat pipe integrated in the phase change memory, for example, the phase change memory is directly adjacent to the heat sink so that the heat pipe is continuously surrounded by either the heatsink or the phase change memory ,
  • the cooling fins at the end of the cooling body a slightly higher temperature ⁇ structure, since the cooling air and the coolant heated as it passes ⁇ flow of the ribs.
  • the heat pipe or more heat pipes either do not work in base load operation then or only serve to even out the temperature inside the heat sink below the permissible tempera ⁇ ture.
  • the heat loss is performed in base load operation almost ⁇ finally past the heat pipes by heat conduction in the heat sink.
  • the heat sink is preferably an aluminum ⁇ miniumkühlêt stresses, for example an aluminum plate.
  • the heat transfer is done by evaporation of a refrigerant in the evaporator part, which is integrated in the heat sink, and thus is located directly at or below the component to be cooled ⁇ nente.
  • the refrigerant in the heat pipe then condenses in the condenser part, ie in the part of the heat pipe that is inside the phase change memory.
  • the condensate The heat of reaction is released to the material of the phase change memory until its transformation temperature is reached. Then the memory is charged at a constant temperature.
  • a refrigerant in the heat pipe for example, water can be used.
  • a phase change memory material paraffin can be selected which has a transformation temperature at 80 ° C.
  • a further fin body is thermally coupled to the phase change memory.
  • This may for example also be thermally coupled to the cooling fins of the heat sink or be designed in one piece with this. This has the advantage that it can pay its temperature quickly to the surrounding environment ⁇ after the peak load and load the phase change memory DIE ser in base load operation.
  • An advantageous field of application of the arrangement described is the cooling of components with varying power losses, such as converter modules.
  • highly potent converters, z. As overload converter or frequency converter, are with their power losses, for example, between 1 kW and 10 kW, in particular between 1 kW and 5 kW.
  • An advantageous example of an arrangement with an inverter module comprises at least one Insulated Gate Biopolar Transistor (IGBT) converter. Its power loss is for example between 1 kW and 10 kW, in particular between 1 kW and 5 kW.
  • two or more converter modules are always arranged on a heat sink along the coolant flow.
  • the phase change memory has a phase change temperature between 70 ° C and 130 ° C, in particular a phase change temperature between 75 ° C and 120 ° C. At known maximum temperature of the component to be cooled and known duration of peak load operation and the duration between two load peaks the phase change material and the size of the phase change memory are selected accordingly.
  • the arrangement described is in one
  • Control cabinet arranged in which the inverter module is mounted.
  • This cabinet comprises at least a compartment in particular of vertical extension, in which the cooling assembly is mounted so that the evaporator portion of heat pipe is located un ⁇ terrenz of the condenser part of the heat pipe, and in which the fan so below the inverter module with the
  • Cooling arrangement is mounted, that a cooling air flow can be generated vertically upwards, so that at the same time the chimney effect can be used to support.
  • Figure 1 shows the schematic structure of a to be cooled
  • Figure 2 shows the schematic structure of a cabinet in which two components to be cooled on a GE ⁇ common heat sink are mounted vertically
  • Figure 3 shows a temperature-time diagram of a conven- tional cooling device
  • Figure 4 shows an example of a cooling arrangement according to the invention with the heat sink and phase-change memory
  • Figure 5 shows a cross section perpendicularly through thedean ⁇ order
  • FIG. 6 shows a diagram in which the power loss in
  • Figure 7 shows a temperature-time diagram of a cooling arrangement according to the invention with phase change memory.
  • FIG. 1 shows a cross section through a cooling arrangement, as used until now.
  • a component 2 to be cooled is shown, which is, for example, an inverter module .
  • the power loss P v is in the form of heat to the Environment submitted.
  • the converter module 2 is applied to a heat sink 1. This is, for example, an aluminum plate with cooling fins 11.
  • the heat loss P v is emitted as heat to the environment via these enlarged surfaces of the heat sink.
  • FIG. 2 again shows conventional cooling devices 1, which are arranged in a control cabinet 20. Since ⁇ are in the vertically arranged in the switch cabinet 20 aluminum plates 1, the cooling fins 11 point away perpendicularly from the plate 1, two components to be cooled 2 is applied, which, for example, IGBT inverter modules. These give, for example, a power loss of 2 kW. Since two IGBT inverters 2 are arranged on a heat sink 1, so a total power loss of 4 kW must be dissipated in the form of heat.
  • the cabinet 20 has z. B. a height of about 1.6 m. Below the heat sink 1, a tangential fan 12 is arranged, which can generate a cooling air flow 120 from bottom to top through the cabinet compartment.
  • the direction of the producible cooling air flow is indicated by arrows 120, 121.
  • Air at room temperature is drawn in at the bottom of the control cabinet 20, whereby the room temperature can be between 20 ° C and 40 ° C.
  • the exhaust air 121 is then for example around 50 ° C or between 50 ° C and 60 ° C.
  • a plurality of compartments may be present in a control cabinet 20, in each of which the inverters 2 are arranged parallel to one another on corresponding aluminum panels 1, in particular one above the other at least two inverters 2 on an aluminum panel 1.
  • the temperature of the component T k to be cooled is slightly above the temperature of the cooling medium T c .
  • the temperature of the component T k to be cooled and the temperature of the cooling medium T c rise continuously. The temperature rise may continue to increase even after termination of the peak load operation S.
  • the existing cooling arrangement must at the latest be able to absorb the temperature rise and the cooling begins in continuous base load operation G.
  • the cooling medium also reaches a peak temperature.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a cooling arrangement according to the invention.
  • the heat pipe 14 may for example be provided with water as working fluid.
  • the cooling fins 11 continue in this arrangement in the area of the phase change memory 16, so that this can effectively emit the heat absorbed during unloading to the environment.
  • a plurality of heat pipes 14 can also penetrate the heat sink 1 and the PCM memory 16. For example, if the critical temperature T max is 80 ° C., paraffin is suitable as the phase change material. If the inverter 2 used, the clock rate is such that the time interval of the overload eti 60 s and the time interval of
  • Base load operation Et 2 240 s whereby in base load mode G a power loss of 4 kW and in overload mode a power loss of 8 kW has to be dissipated, the size of the paraffin memory would be calculated as follows: Over a period eti of 60 s, a power loss of 8 kW be discharged, which corresponds to a heat quantity Q of 480 kJ. The mass of the phase change memory used should therefore be 2.8 kg and the net storage volume V 4.5 1. An overload of 8 kW compared to a base load of 4 kW is a quite usual size. Loss loads can range between 110% and 300% of the base load.
  • the maximum temperature T max of the grain to be cooled component 2 to 80 ° C and not as in conventional cooling devices a temporally short increase in tempera ture on, for example, up to 120 ° C, the Be ⁇ life of the component to be cooled 2, which is an inverter in this case, be doubled up.
  • FIG. 7 shows a temperature-time diagram analogous to FIG. 3, but for a cooling device with phase change memory. It can be seen that the temperature of the component to be cooled T max increases to the maximum allowable value, while the temperature of the phase change material T c remains at the temperature of the phase transition. In the region of the Beia ⁇ dens of the memory B so the dissipated heat is supplied to the PCM memory 16 without its temperature T c increases because the energy is plugged into the phase transformation In the discharge E of the phase change memory 16 then this temperature drops again to the value during base load operation.
  • This diagram illustrates not only the mode of action of the phase change memory, but also that the dissipated heat from the phase change memory does not start from such high temperatures as, for example, in conventional cooling media.

Abstract

Beim Einsatz von Umrichtern (2) im Lastwechselbetrieb treten unterschiedlich hohe Verlustleistungen auf und ein herkömmliches Kühlsystem müsste auf die maximale Verlustleistung ausgelegt werden um zu gewährleisten, dass die bauteilkritische Maximaltemperatur Tmax nicht überschritten wird. Die erfindungsgemäße Kühlanordnung mit einem Phasenwechselspeicher (16), der über eine Heatpipe (14) mit dem Kühlkörper (1) verbunden ist, gewährleistet die Abfederung von Verlustleistungsspitzen und erlaubt, die herkömmliche Kühlkomponente auf die Grundlast zu optimieren.

Description

Beschreibung
Umrichterkühlung mit Phasenwechselspeicher Die vorliegende Erfindung betrifft Kühlvorrichtungen mit Pha- senwechselspeichern für Umrichter.
Im Bereich der Umrichter sind herkömmliche Kühlsysteme be¬ kannt, welche Kühlkörper unterschiedlichen Materials und un- terschiedlicher Ausgestaltung der Kühlrippen umfasst sowie die Kombination mit Luft oder Flüssigkeitskühlungen.
Beim Einsatz von Umrichtern im Lastwechselbetrieb treten unterschiedlich hohe Verlustleistungen auf. Ein herkömmliches Kühlsystem müsste daher auf die maximale Verlustleistung ausgelegt werden um zu gewährleisten, dass die bauteilkritische Maximaltemperatur Tmax nicht überschritten wird. Die Lebensdauer von Umrichtern ist sehr stark temperaturabhängig. Vom verwendeten Kühlsystem muss gewährleistet werden, dass im Be- trieb keine der Komponenten ihre zulässige Höchsttemperatur überschreitet. Ein häufiges Beispiel für industrielle Anwen¬ dungen sind IGBT-Umrichter (Insulated Gate Bipolar Transistor) , welche als elektronische Schalter beispielsweise in E- Cars, Lokomotiven, Windkraftanlagen, Kühlvorrichtungen und Klimaanlagen eingesetzt werden. In solchen Anwendungsfällen hängt auch die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Anwendung von der des Umrichters ab.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Kühlvorrichtung anzugeben, welche eine zuverlässige Abfede¬ rung der maximalen Verlustleistung gewährleistet.
Die Aufgabe ist durch eine Anordnung gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Abfuhr von Wärme bei Ver¬ lustleistungsspitzen weist einen Kühlkörper und einen Phasen- Wechselspeicher auf, wobei der Kühlkörper und der Phasenwech- selspeicher über wenigstens ein Wärmerohr thermisch miteinander verbunden sind. Die zu kühlende Komponente, die thermisch an den Kühlkörper angekoppelt ist, umfasst dabei insbesondere zumindest ein Umrichtermodul. Dies hat den Vorteil, dass der Kühlkörper für die Kühlung im Grundlastbetrieb des Umrichters ausgelegt sein kann, während der Phasenwechselspeicher so ausgelegt ist, dass er die Maximaltemperatur bei Spitzenlast aufnimmt und abpuffert.
Um die Temperatur eines Umrichtermoduls auf eine festgelegte Maximaltemperatur Tmax zu begrenzen, wird also ein Phasenwechselspeicher eingesetzt, dessen Material eine Umwandlungstemperatur von der festen in die flüssige Phase bei eben dieser festgelegten Maximaltemperatur Tmax besitzt. Wird dann im Betrieb bei maximaler Verlustleistung dieser Phasenwechselspeicher thermisch angekoppelt, nimmt er bei konstanter Tempera¬ tur die Verlustwärme auf. Somit werden Verlustleistungsspit¬ zen abgefedert. Um diese kurzzeitige Spitzenlast abzufedern, muss der Phasenwechselspeicher über eine sehr gute thermische Ankopplung an die zu kühlende Komponente verfügen. Diese An- kopplung wird über ein Wärmerohr, insbesondere eine Heatpipe gewährleistet. Im anschließenden Normalbetrieb sinken die Temperaturen im Umrichtermodul und dem Kühlkörper wieder ab und der Phasenwechselspeicher wird durch Wärmeabgabe an die Umgebung wieder entladen. Der Phasenwechselspeicher wird also insbesondere nach der maximalen Verlustleistung und nach der Taktzeit ausgelegt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Anordnung einen Kühlkörper, der Kühlrippen aufweist. Vorteilhafterweise umfasst die Anordnung wenigstens ein Gebläse, welches so angeordnet ist, dass ein Kühlluftstrom parallel zur Längenausdehnung des Kühlkörpers erzeugbar ist, der vom Kondensatorteil des Wärmerohrs in Richtung Verdampferteil des Wärmerohrs strömt. Alternativ umfasst die Anordnung eine Pum¬ pe und einen Flüssigkeitskanal, in dem sich die Kühlanordnung befindet, wobei Pumpe und Flüssigkeitskanal so angeordnet sind, dass ein Kühlflüssigkeitsstrom parallel zur Längenaus¬ dehnung des Kühlkörpers erzeugbar ist, der wiederum vom Kondensatorteil des Wärmerohrs in Richtung Verdampferteil des Wärmerohrs strömt. In einer besonders vorteilhaften Ausge¬ staltung der Erfindung ist der Verdampferteil der Heatpipe im Kühlkörper integriert und der Kondensatorteil des Wärmerohrs im Phasenwechselspeicher integriert, wobei beispielsweise der Phasenwechselspeicher direkt an den Kühlkörper angrenzt, so dass das Wärmerohr durchgängig von entweder dem Kühlkörper oder dem Phasenwechselspeicher umgeben ist.
Dies hat folgenden Vorteil: Im Grundlastbetrieb weisen die Kühlrippen am Ende des Kühlkörpers eine etwas höhere Tempera¬ tur auf, da sich die Kühlluft bzw. das Kühlmittel beim Durch¬ strömen der Rippen erwärmt. D.h. im Grundlastbetrieb sieht der Kondensatorteil des Wärmerohrs eine etwas höhere Tempera¬ tur als der Verdampferteil, da er im Kühlmittelstrom weiter hinten angeordnet ist. Das Wärmerohr oder die mehreren Wärmerohre arbeiten im Grundlastbetrieb dann entweder gar nicht oder dienen lediglich zur Vergleichmäßigung der Temperatur innerhalb des Kühlkörpers unterhalb der zulässigen Tempera¬ tur. Die Verlustwärme wird im Grundlastbetrieb nahezu aus¬ schließlich an den Wärmerohren vorbei durch Wärmeleitung im Kühlkörper geführt. Der Kühlkörper ist vorzugsweise ein Alu¬ miniumkühlkörper, z.B. eine Aluminiumplatte. Steigt die Ver¬ lustleistung im Taktbetrieb an, so steigt auch zunächst die Temperatur im Kühlkörper. Wird im Kühlkörper die Temperatur höher als am oberen Ende der Kühlrippen, wobei mit oberem Ende das Ende der Kühlrippen gemeint ist, welches am weitesten vom Gebläse oder der Pumpe entfernt ist, d.h. welches im Kühlmittelstrom am wärmsten Ort angeordnet ist, dann erfolgt der Wärmetransport über das Wärmerohr. Im Wärmerohr geschieht der Wärmetransport durch Verdampfen eines Kältemittels im Verdampferteil, welcher im Kühlkörper integriert ist, und sich somit direkt an oder unterhalb der zu kühlenden Kompo¬ nente befindet. Das Kältemittel im Wärmerohr kondensiert dann im Kondensatorteil, d.h. in dem Teil des Wärmerohrs, der sich innerhalb des Phasenwechselspeichers befindet. Die Kondensa- tionswärme wird dabei an das Material des Phasenwechselspei- chers abgegeben bis dessen Umwandlungstemperatur erreicht ist. Dann wird bei konstanter Temperatur der Speicher geladen. Als Kältemittel im Wärmerohr kann z.B. Wasser eingesetzt werden. Als Beispiel für ein Phasenwechselspeichermaterial kann Paraffin ausgewählt werden, welches eine Umwandlungstemperatur bei 80°C aufweist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist an den Phasenwechselspeicher ein weiterer Kühlrippenkörper thermisch angekoppelt. Dieser kann beispielsweise auch thermisch an die Kühlrippen des Kühlkörpers angekoppelt sein oder mit diesem einstückig ausgeführt sein. Dies hat den Vorteil, dass nach der Spitzenlast und Beladung des Phasenwechselspeichers die- ser im Grundlastbetrieb seine Temperatur schnell an die Umge¬ bung abführen kann.
Ein vorteilhaftes Einsatzgebiet der beschriebenen Anordnung ist die Kühlung von Komponenten mit variierenden Verlustleis- tungen, wie beispielsweise Umrichtermodulen. Insbesondere hochpotente Umrichter, z. B. Überlastumrichter oder auch Frequenzumrichter, liegen mit ihren Verlustleistungen beispielsweise zwischen 1 kW und 10 kW, insbesondere zwischen 1 kW und 5 kW. Ein vorteilhaftes Beispiel für eine Anordnung mit einem Umrichtermodul umfasst wenigstens einen IGBT-Umrichter (Insu- lated Gate Biopolar Transistor) . Dessen Verlustleistung liegt beispielsweise zwischen 1 kW und 10 kW, insbesondere zwischen 1 kW und 5 kW. Vorteilhafterweise sind immer jeweils zwei oder mehrere Umrichtermodule auf einem Kühlkörper entlang dem Kühlmittelstrom angeordnet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Phasenwechselspeicher eine Phasenwechseltemperatur zwischen 70°C und 130°C auf, insbesondere eine Phasenwechsel- temperatur zwischen 75°C und 120°C. Bei bekannter Maximaltemperatur der zu kühlenden Komponente und bekannter Dauer des Spitzenlastbetriebs sowie der Dauer zwischen zwei Lastspitzen wird das Phasenwechselmaterial und die Größe des Phasenwech- selspeichers entsprechend gewählt.
Beispielsweise ist die beschriebene Anordnung in einem
Schaltschrank angeordnet, in dem das Umrichtermodul montiert ist. Dieser Schaltschrank umfasst insbesondere wenigstens ein Fach von vertikaler Ausdehnung, in dem die Kühlanordnung so angebracht ist, dass sich der Verdampferteil der Heatpipe un¬ terhalb des Kondensatorteils des Wärmerohrs befindet und in dem das Gebläse so unterhalb des Umrichtermoduls mit der
Kühlanordnung angebracht ist, dass ein Kühlluftstrom senkrecht nach oben erzeugbar ist, so dass auch gleichzeitig der Kamineffekt unterstützend genutzt werden kann. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in exemplarischer Weise mit Bezug auf die Figuren 1 bis 7 der ange¬ hängten Zeichnung beschrieben:
Figur 1 zeigt den schematischen Aufbau einer zu kühlenden
Komponente auf einem Kühlkörper,
Figur 2 zeigt den schematischen Aufbau eines Schaltschranks in dem je zwei zu kühlende Komponenten auf einem ge¬ meinsamen Kühlkörper vertikal angebracht sind, Figur 3 zeigt ein Temperatur-Zeit-Diagramm einer herkömmli- chen Kühlvorrichtung,
Figur 4 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung mit Kühlkörper und Phasenwechselspeicher, Figur 5 zeigt einen Querschnitt senkrecht durch die Kühlan¬ ordnung,
Figur 6 zeigt ein Diagramm, in dem die Verlustleistung in
Prozent über der Zeit aufgetragen ist, und
Figur 7 zeigt ein Temperatur-Zeit-Diagramm einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung mit Phasenwechselspeicher.
Die Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Kühlanordnung, wie sie bisher verwendet wurde. Dabei ist eine zu kühlende Komponente 2 gezeigt, welche beispielsweise ein Umrichtermo¬ dul ist. Die Verlustleistung Pv wird in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben. Zur effektiveren Kühlung wird das Umrichtermodul 2 auf einen Kühlkörper 1 aufgebracht. Dieser ist beispielsweise eine Aluminiumplatte mit Kühlrippen 11. Über diese vergrößerten Oberflächen des Kühlkörpers wird die Ver- lustleistung Pv als Wärme an die Umgebung abgegeben.
In der Figur 2 sind wiederum herkömmliche Kühlvorrichtungen 1 gezeigt, die in einen Schaltschrank 20 eingeordnet sind. Da¬ bei sind auf die senkrecht im Schaltschrank 20 angeordneten Aluminiumplatten 1, deren Kühlrippen 11 senkrecht von der Platte 1 wegweisen, jeweils zwei zu kühlende Komponenten 2 aufgebracht, welche beispielsweise IGBT-Umrichtermodule sind. Diese geben beispielsweise eine Verlustleistung von 2 kW ab. Da zwei IGBT-Umrichter 2 auf einen Kühlkörper 1 angeordnet sind, muss also eine Gesamtverlustleistung von 4 kW in Form von Wärme abgeführt werden. Der Schaltschrank 20 hat z. B. eine Höhe von ca. 1,6 m. Unterhalb des Kühlkörpers 1 ist ein Tangentialgebläse 12 angeordnet, welches einen Kühlluftstrom 120 von unten nach oben durch das Schaltschrankfach erzeugen kann. Die Richtung des erzeugbaren Kühlluftstroms ist durch Pfeile 120, 121 angezeigt. Im unteren Bereich des Schalt- schranks 20 wird Luft mit Raumtemperatur angesogen, wobei die Raumtemperatur zwischen 20 °C und 40 °C betragen kann. Die Abluft 121 beträgt dann z.B. um die 50°C oder auch zwischen 50°C und 60°C. In einem Schaltschrank 20 können wie gezeigt mehrere Fächer vorhanden sein, in denen jeweils parallel zueinander die Umrichter 2 auf entsprechenden Aluplatten 1 angeordnet sind, insbesondere jeweils übereinander mindestens zwei Umrichter 2 auf einer Aluplatte 1.
Die Figur 3 zeigt ein Temperatur-Zeit-Diagramm zu den herkömmlichen Kühlaufbauten: Im Grundlastbetrieb G liegt die Temperatur der zu kühlenden Komponente Tk etwas über der Temperatur des Kühlmediums Tc. Sobald die zu kühlende Komponente 2 in Überlastbetrieb S geht, steigen die Temperatur der zu kühlenden Komponente Tk sowie die Temperatur des Kühlmediums Tc kontinuierlich an. Der Temperaturanstieg kann auch nach Beendigung des Spitzenlastbetriebs S noch weiter ansteigen. Am Punkt der Maximaltemperatur Tmax muss die vorhandene Kühlanordnung spätestens in der Lage sein, den Temperaturanstieg abzufangen und es beginnt die Abkühlung in fortlaufendem Grundlastbetrieb G. Genauso wie die zu kühlende Komponente 2 erreicht auch das Kühlmedium eine Spitzentemperatur.
Die Figur 4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung. Dabei ist am oberen Ende des Kühlluftstroms 120 an den Kühlkörper 1 ein Phasenwechselspei- eher 10, z.B. aus Paraffin angeordnet. Dieser ist thermisch an den Kühlkörper 1 über eine Heatpipe 14 angekoppelt. Die Heatpipe 14 kann beispielsweise mit Wasser als Arbeitsmittel versehen sein. Die Kühlrippen 11 setzen sich bei dieser Anordnung auch im Bereich des Phasenwechselspeichers 16 fort, so dass dieser die aufgenommene Wärme beim Entladen effektiv an die Umgebung abgehen kann. Wie im senkrechten Querschnitt in Figur 5 zu sehen ist, können auch mehreren Heatpipes 14 den Kühlkörper 1 und den PCM-Speicher 16 durchdringen. Liegt die kritische Temperatur Tmax beispielsweise bei 80°C, bietet sich Paraffin als Phasenwechselmaterial an. Liegen bei dem verwendeten Umrichter 2 die Taktrate so, dass das Zeitintervall der Überlast Äti 60 s und das Zeitintervall des
Grundlastbetriebs Ät2 240 s dauert, wobei im Grundlastbetrieb G eine Verlustleistung von 4 kW und im Überlastbetrieb eine Verlustleistung von 8 kW abzuführen ist, würde sich die größenmäßige Ausgestaltung des Paraffinspeichers folgendermaßen berechnen : Über einen Zeitraum Äti von 60 s muss eine Verlustleistung von 8 kW abgeführt werden, was einer Wärmemenge Q von 480 kJ entspricht. Die Masse des verwendeten Phasenwechselspeichers sollte demnach 2,8 kg und das Nettospeichervolumen V 4,5 1 betragen. Eine Überlast von 8 kW gegenüber einer Grundlast von 4 kW ist dabei eine durchaus übliche Größe. Verlustlasten können im Bereich zwischen 110% und 300 % der Grundlast liegen . Ist es durch eine erfindungsgemäße Kühlanordnung beispiels¬ weise möglich die Maximaltemperatur Tmax der zu kühlenden Korn ponente 2 auf 80 °C zu halten und nicht wie bei herkömmlichen Kühlvorrichtungen eine zeitlich kurze Überhöhung der Tempera tur auf beispielsweise bis zu 120°C zuzulassen, kann die Le¬ bensdauer der zu kühlenden Komponente 2, welche in diesem Fall ein Umrichter ist, bis zu verdoppelt werden.
Die Figur 7 zeigt ein Temperatur-Zeit-Diagramm analog zu Figur 3 jedoch für eine Kühlvorrichtung mit Phasenwechselspei- cher. Dabei sieht man, dass die Temperatur der zu kühlenden Komponente Tmax auf den maximal zulässigen Wert ansteigt, wäh rend die Temperatur des Phasenwechselmaterials Tc auf der Temperatur des Phasenübergangs bleibt. Im Bereich des Beia¬ dens des Speichers B wird also die abzuführende Wärme dem PCM-Speicher 16 zugeführt, ohne dass dessen Temperatur Tc ansteigt, da die Energie in die Phasenumwandlung gesteckt wird Im Bereich der Entladung E des Phasenwechselspeichers 16 sinkt dann diese Temperatur wieder auf den Wert während des Grundlastbetriebs ab. Dieses Diagramm verdeutlicht nicht nur die Wirkungsweise des Phasenwechselspeichers, sondern auch, dass die vom Phasenwechselspeicher abzuführende Wärme nicht von derart hohen Temperaturen ausgeht wie beispielsweise bei herkömmlichen Kühlmedien.

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung (10) zur Umrichterkühlung und Abfuhr von Wärme bei Verlustleitungsspitzen aufweisend
- eine zu kühlende Komponente (2) mit variierenden Verlust¬ leistungen, wobei die zu kühlende Komponente ein Umrich¬ termodul (2) umfasst, und daran thermisch angekoppelt einen Kühlkörper (l)mit Kühlrippen (11)
und
- einen Phasenwechselspeicher (16), wobei der Kühlkörper (1) und der Phasenwechselspeicher (16) über wenigstens ein Wärmerohr (14) thermisch miteinander verbunden sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Wärmerohr (14) eine Heatpipe ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 mit wenigstens einem Gebläse (12) welches so angeordnet ist, dass ein Kühlluftstrom (120) erzeugbar ist, der vom Kondensatorteil des Wärmerohrs (14) in Richtung Verdampferteil des Wärmerohrs (14) strömt.
4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Flüssigkeitskanal, welcher den Kühlkörper (1) umgibt und wenigstens einer Pumpe, welche so angeordnet ist, dass ein Kühlflüssigkeits- ström (120) erzeugbar ist, der vom Kondensatorteil des Wärme¬ rohrs (14) in Richtung Verdampferteil der Heatpipe (14) strömt .
5. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Verdampferteil des Wärmerohrs (14) im Kühlkörper (1) inte¬ griert ist und der Kondensatorteil des Wärmerohrs (14) im Phasenwechselspeicher (16) integriert ist.
6. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Phasenwechselspeicher (16) direkt an den Kühlkörper (1) angrenzt, so dass das Wärmerohr (14) durchgängig von entweder dem Kühlkörper (1) oder dem Phasenwechselspeicher (16) umgeben ist.
7. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Phasenwechselspeicher (16) thermisch an einen Kühlrippenkörper (161) angekoppelt ist.
8. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kühlrippen (11) des Kühlkörpers (1) und der Kühlrippenkörper (161) des Phasenwechselspeichers (16) thermisch aneinander gekoppelt sind oder einstückig ausgeführt sind.
9. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Umrichtermodul (2) wenigstens einen hochpotenten Umrichter umfasst, welcher ein Überlastumrichter oder ein Frequenzumrichter ist, dessen abzuführende Verlustleistung zwischen 1 kW und 10 kW, insbesondere zwischen 1 kW und 5 kW liegt.
10. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Umrichtermodul (2) wenigstens einen IGBT-Umrichter um¬ fasst, dessen abzuführende Verlustleistung zwischen 1 kW und 10 kW, insbesondere zwischen 1 kW und 5 kW liegt.
11. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Phasenwechselspeicher (16) eine Phasenwechseltemperatur zwischen 70°C und 130°C, insbesondere zwischen 75°C und 120°C aufweist.
12. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem Schaltschrank (20), in dem das Umrichtermodul (2) montiert ist.
13. Anordnung nach Anspruch 12, wobei der Schaltschrank (20) wenigstens ein Fach von vertikaler Ausdehnung umfasst, in dem die Kühlanordnung so angebracht ist, dass sich der Verdampferteil des Wärmerohrs (14) unterhalb des Kondensatorteils des Wärmerohrs (14) befindet und in dem das Gebläse (12) so unterhalb des Umrichtermoduls (2) mit der Kühlanordnung ange¬ bracht ist, dass ein Kühlluftstrom (120) senkrecht nach oben erzeugbar ist.
PCT/EP2014/052289 2013-02-26 2014-02-06 Umrichterkühlung mit phasenwechselspeicher WO2014131589A1 (de)

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