DE4209477C2 - Stromrichtermodul mit Kühlflüssigkeits-Strömungsbad - Google Patents
Stromrichtermodul mit Kühlflüssigkeits-StrömungsbadInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Stromrichtermodul mit
zwangsweisem Kühlflüssigkeits-Strömungsbad, das die von den
Bauelementen produzierte Wärmeleistung speichert und ab
führt, wobei mindestens ein Kühlflüssigkeits-Eintritt und
ein -Austritt vorgesehen sind, und kann vorzugsweise bei
Fahrzeugen, insbesondere Schienenfahrzeugen mit stromrich
tergespeisten Antrieben verwendet werden.
Ein Stromrichtermodul mit Kühlflüssigkeits-Strömungsbad ist
aus der DE 40 08 425 A1 bekannt. Dort wird ein Stromrich
termodul mit einem metallischen, vollgekapselten, allseitig
geschlossenen Gehäuse vorgeschlagen, in dem Stromrichter
ventile sowie Beschaltungskomponenten, wie Drosseln, Wider
stände und Kondensatoren angeordnet sind, und das zur Küh
lung und Isolation mit einer Kühlflüssigkeit gefüllt ist,
wobei das Gehäuse mit zwei Anschlüssen für die Zu- und Ab
führung der Kühlflüssigkeit, sowie mit mehreren Durchfüh
rungen für externe elektrische Leistungsanschlüsse versehen
ist. Für die Zu- und Abfuhr der Kühlflüssigkeit sind zwei
hydraulische Verschlußkupplungen an der Rückseite des Ge
häuses angeordnet. An der Frontseite des Gehäuses und zur
Seite gerichtet sind mehrere zur Kontaktierung mit Strom
schienen-Einfahrvorrichtungen geeignete elektrische Mo
dul-Einfahrkontakte gruppiert. Als Kühlflüssigkeit wird
Isolieröl vorgeschlagen.
Aus der BBC-Druckschrift Nr. DVK 1182 82D ist ein energie
sparendes Heizungs- und Lüftungskonzept für U-Bahnfahrzeuge
bekannt, bei dem vorgeschlagen wird, die Verlustwärme von
Umrichtern und Motoren für Heizzwecke heranzuziehen, wobei
jeweils eine Flüssigkeitskühlung mit Flüssigkeitskreislauf
herangezogen wird. Der Rückkühler der Halbleiter-Siedeküh
lung ist gemeinsam mit dem Wärmetauscher der Fahrmoto
ren-Flüssigkeitskühlung in einem Kanal angeordnet, durch
den ein Ventilator die zur Fahrgastraumbelüftung notwendige
Luftmenge transportiert.
Aus dem GE-GM 71 46 301 ist eine Kühlvorrichtung für eine
Halbleiteranordnung bekannt, bei der eine Baueinheit, bestehend
aus einer Mehrzahl von Halbleiterbauelementen miit
vergleichsweise großflächigen Wärmeübergangselementen, in
einer wärmeaufnehmenden Flüssigkeit (z. B. Trafo-Öl) angeordnet
ist. Zwischen zwei benachbarten Halbleiterbauelementen
ist ein von diesen Halbleiterbauelementen getrenntes,
jedoch mit ihnen innerhalb der Baueinheit in wärmeleitender
Verbindung stehendes, außengekühltes Wärmeübergangselement
(z. B. Rippenkühler) angeordnet. Die Baueinheit kann innerhalb
eines Kühlflüssigkeits-Zwangsumlaufes mit Umwälzpumpe
und äußerem Wärmetauscher angeordnet sein.
Aus der DE 24 57 951 A1 ist ein System zur Ausnutzung der
von einem Computer abgegebenen Wärmeenergie bekannt, mit
einem ersten Kühlkreis des Computers, in dem eine Wärmeträgerflüssigkeit
zirkuliert. Der erste Kühlkreis ist thermisch
mit einem zweiten Kühlkreis, beispielsweise mittels
eines Wärmetauschers, verbunden, welcher die von der Wärmeträgerflüssigkeit
abgeführte Überschußwärme aufnimmt und
sie mittels mindestens eines zweiten Wärmetauschers einem
Verbraucherkreis zuführt, z. B. einem Heißwasser- oder Zentralheizungssystem
und/oder der äußeren Umgebung. Zur Einstellung
von Temperatur und/oder Durchflußmenge der Verbraucherflüssigkeit
am Einlaß und am Auslaß des dem Verbraucherkreis
zugeordneten Wärmetauschers kann ein Dreiwegeventil
vorgesehen sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Stromrichter
modul mit Kühlflüssigkeits-Strömungsbad der eingangs ge
nannten Art derart auszubilden, daß die während des Be
triebs von elektrischen Bauelementen produzierte Wärmeener
gie möglichst effizient für Heizzwecke eingesetzt werden
kann, wobei einerseits eine Ankopplung des Stromrichtermo
duls an eine Heizungsanlage und andererseits eine Kühlung
des Stromrichtermoduls ermöglicht werden sollen, falls kein
Heizbedarf besteht.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des
Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des
Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbe
sondere darin, daß einerseits die innerhalb des Stromrich
termoduls durch Wärmeverluste aufgeheizte Kühlflüssigkeit
in einfacher Art und Weise zu Heizzwecken herangezogen wer
den kann und daß andererseits das Stromrichtermodul selbst
als Luft-Wärmetauscher fungiert, wenn kein Heizbedarf an
steht. Bei Verwendung von Brauchwasser als Kühlflüssigkeit
wird Umweltschutz-Aspekten Rechnung getragen. Ferner ent
spricht die Einspeisung von erhitztem Brauchwasser in eine
Heizungsanlage konventioneller Technik, d. h. es können vor
teilhaft die bislang üblichen und erprobten Heizungsanlagen
(Fahrgastraumheizung für Fahrzeuge) eingesetzt werden.
Da das Stromrichtermodul selbst die Wärmetauscherfunktion
übernimmt, falls kein Heizbedarf ansteht, sind zusätzliche
Wärmetauscher entbehrlich, was Kosten-, Raum- und Gewichts
vorteile hat und die Gefahr von Lecks minimiert. Zudem sind
die für die Wärmetauscherfunktion wesentlichen Kühlrippen
des Stromrichtermoduls wesentlich unempfindlicher gegen
Verschmutzung durch die zur Kühlung dienende Außenluft als
Lamellenkühler.
Vorteilhaft sind im Kühlflüssigkeitsbehälter diejenigen
Bauelemente zusammengefaßt, die neben den Halbleiterbauele
menten hauptsächlich zur Stromwärmeproduktion beitragen.
Hierdurch wird sichergestellt, daß nahezu die gesamte in
nerhalb des Stromrichtermoduls produzierte Verlustwärme für
Heizungszwecke heranziehbar ist, wodurch sich ein hoher
Wirkungsgrad ergibt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Strom
richtermoduls,
Fig. 2 ein hydraulisches Verbindungsschema,
Fig. 3, 4, 5 Varianten des hydraulischen Verbin
dungsschemas.
In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau eines Stromrichter
moduls für ein Fahrzeug mit stromrichtergespeistem Antrieb
dargestellt. Das Stromrichtermodul 1 weist einen zentralen
Kühlflüssigkeitsbehälter 2 auf, in dem zu kühlende elektri
sche und elektronische Bauelemente 3, wie z. B. Beschal
tungswiderstände, Kondensatoren, Drosseln, GTO-Thyristoren,
Beschaltungsdioden und gegebenenfalls auch Bremswiderstände
angeordnet sind, und dessen Kühlflüssigkeits-Strömungsbad
die von den Bauelementen produzierte Wärmeleistung spei
chert und abführt. Als Kühlflüssigkeit dient vorzugsweise
elektrisch leitfähiges Brauchwasser. Die räumliche Anord
nung der Bauelemente 3 innerhalb des Behälters 2 bzw. die
Kühlflüssigkeitsführung ist derart vorzunehmen, daß tempe
raturempfindliche Bauelemente (Halbleiter) von der in den
Behälter 2 eintretenden Kühlflüssigkeit primär umspült
werden.
Der Kühlflüssigkeitsbehälter 2 besitzt einen Kühlflüssig
keits-Eintritt 8, durch den Kühlflüssigkeit mittels einer
Pumpe 9 in den Behälter 2 gefördert wird. Die Pumpe 9 kann
dabei direkt an das Gehäuse des Stromrichtermoduls 1 ange
flanscht sein.
Der Kühlflüssigkeitsbehälter 2 weist einen ersten Kühlflüs
sigkeits-Austritt 10 auf, der über ein Rohr 11 (Vorlauf)
mit der Fahrgastraumheizung verbunden ist. Ein zweiter
Kühlflüssigkeits-Austritt 12 stellt gleichzeitig den ersten
Eintritt eines Dreiwegeventils 13 dar, wenn dieses Dreiwe
geventil 13 ohne Zwischenrohr direkt an das Gehäuse des
Stromrichtermoduls 1 angeflanscht ist.
Ein zweiter Eintritt 14 des Dreiwegeventils 13 ist mit ei
nem von der Fahrgastraumheizung kommenden Rohr 15 (Rück
lauf) verbunden. Der Austritt 16 des Dreiwegeventils 13 ist
über ein Rohr 17 an den hydraulischen Eingang der Pumpe 9
angeschlossen. Gegebenenfalls kann dieses Rohr 17 auch in
das Stromrichtermodul 1 integriert werden.
Der Kühlflüssigkeitsbehälter 2 weist zumindest an einer Au
ßenfläche Kühlrippen 18 auf, über die bedarfsweise die in
den Bauelementen produzierte und in der Kühlflüssigkeit ge
speicherte Wärmeleistung abgeführt werden kann, falls für
die Fahrgastraumheizung momentan kein Wärmebedarf besteht.
In einem solchen Betriebszustand fungiert der Kühlflüssig
keitsbehälter als Wärmetauscher zur Außenluft. Zur Führung
der Kühlluft ist zweckmäßig ein Luftkanal 19 um die Kühl
rippen 18 angeordnet. Die Zuführung der Kühlluft zu den
Kühlrippen 18 kann während der Fahrt des Fahrzeuges über
geeignete Luftführungsschächte und eine die Luftmenge be
einflussende bzw. regelnde Klappe 20 erfolgen (Fahrtwind
kühlung). Bei Stillstand des Fahrzeuges und bei nicht aus
reichender Luftführung während der Fahrt (Schleichfahrt)
kann ein Lüfter 21 zur zwangsweisen Kühlluftzuführung die
nen.
Die Einschaltung des Lüfters 21 und/oder die Stellungsrege
lung der Klappe 20 erfolgt zweckmäßig in Abhängigkeit der
Kühlrippen-Temperatur, wozu ein Temperatursensor 27 an den
Kühlrippen 18 montiert ist.
Wenn die im Behälter 2 erhitzte Kühlflüssigkeit während ei
nes Betriebszustandes vorwiegend oder ausschließlich zur
Beheizung der Fahrgasträume dient, bleiben die Klappe 20
selbstverständlich geschlossen bzw. der Lüfter 21 ausge
schaltet, um eine möglichst hohe Effizienz der Fahrgast
raumbeheizung ohne unnötig abfließende Wärmeenergie sicher
zustellen.
In Fig. 2 ist ein hydraulisches Verbindungsschema darge
stellt. Es ist der Kühlflüssigkeitsbehälter 2 des Strom
richtermoduls 1 zu erkennen, dem über den Eintritt 8 Kühl
flüssigkeit zugeführt wird und der über den ersten und/oder
zweiten Austritt erhitzte Kühlflüssigkeit abgibt. Der Kühl
flüssigkeitsweg über den ersten Austritt 10 verläuft durch
das Rohr 11 über ein zur Feineinstellung dienendes Regu
lierventil 22 zu Fahrgastraumheizungen 23, 24, 25 (Hei
zungsanlage) und über das Rohr 15 zum zweiten Eintritt 14
des Dreiwegeventils 13. Von dort strömt die Kühlflüssigkeit
über den Austritt 16 des Dreiwegeventils 13 und das Rohr 17
zur Pumpe 9 und von dort über den Eintritt 8 zurück zum
Kühlflüssigkeitsbehälter 2.
Der Kühlflüssigkeitsweg über den zweiten Austritt 12 ver
läuft über den ersten Eintritt und den Austritt 16 des
Dreiwegeventils 13 ebenfalls über die Pumpe 9 zurück zum
Kühlflüssigkeitsbehälter 2 und stellt eine Bypaßleitung
dar, die sicherstellt, daß die Kühlflüssigkeit auch dann
über die Pumpe 9 strömt, wenn das Regulierventil 22 ge
schlossen ist, was eine gleichmäßige Aufheizung der Kühl
flüssigkeit und Wärmeabfuhr an die Außenluft sicherstellt,
wenn der Behälter 2 als Luft-Wärmetauscher fungiert und
insbesondere in Verbindung mit einer entsprechenden Kühl
flüssigkeitsführung innerhalb des Behälters 2 das Entstehen
von Wärmenestern mit Kühlflüssigkeit erhöhter Temperatur
verhindert.
Zusätzlich kann eine Signalleitung 28 zwischen Regulierven
til 22 und Ansteuereinheit 26 des Dreiwegeventils 13 vorge
sehen sein. Über diese Signalleitung 28 wird der Ansteuer
einheit 26 gemeldet, daß das Regulierventil 22 geschlossen
ist, worauf die Ansteuereinheit 26 das Dreiwegeventil 13
derart beeinflußt, daß ein Bypaß mit einer Kühlflüssig
keitsführung über 12-16-17-9-8-2 gebildet wird.
Die Ansteuereinheit 26 für das Dreiwegeventil 13 kann Si
gnale eines nicht dargestellten Außenlufttemperatursensors
empfangen und eine "Grobeinstellung" des Dreiwegeventils 13
in Abhängigkeit der Außenlufttemperatur vornehmen. Bei
niedrigen Außentemperaturen (bis ca. 5°C) wird schwerpunkt
mäßig der Kühlflüssigkeitsweg
10-11-22-23-24-25-15-14-16-17-9-8-2 geöffnet, während bei
mittleren Temperaturen (Bereich zwischen 5°C und 18°C)
beide Kühlflüssigkeitswege
10-11-22-23-24-25-15-14-16-17-9-8-2 und 12-16-17-9-8-2 zu
öffnen sind. Auch bei Temperaturen über 18°C, bei denen üb
licherweise kein Heizungsbedarf für die Fahrgasträume be
steht, bleibt die Pumpe 9 aus den vorstehend genannten
Gründen (Verhinderung von Wärmenestern, wenn der Behälter 2
als Wärmetauscher fungiert) eingeschaltet. Die Kühlung der
Kühlflüssigkeit erfolgt dann ausschließlich über die im
Kühlluftstrom 29 befindlichen Kühlrippen 18, wobei der
Luftkasten 19 eine zweckmäßige Führung des Kühlluftstromes
29 sicherstellt. Der Kühlluftstrom 29 kann zwangsweise mit
Hilfe des Lüfters 21 erzeugt oder unterstützt werden, falls
der Fahrtwind allein nicht ausreichend hoch ist (z. B.
Schleichfahrt) oder sich das Fahrzeug im Stillstand befin
det.
Eine notwendige Rückkühlung der im Kühlflüssigkeitsbehälter
2 erhitzten Kühlflüssigkeit findet somit auch statt, wenn
der über die Fahrgastraumheizung abgeführte Wärmestrom ge
ring ist.
In den Fig. 3, 4 und 5 sind Varianten des hydraulischen
Verbindungsschemas dargestellt. Während gemäß Fig. 2 ein
Kühlflüssigkeitsbehälter 2 mit einem Kühlflüssigkeits-Ein
tritt 8 und zwei Kühlflüssigkeits-Austritten 10, 12 vorge
sehen ist, weist der Kühlflüssigkeitsbehälter 2′ gemäß Fig.
3 lediglich einen Kühlflüssigkeits-Austritt auf, der
über das Dreiwegeventil 13 mit der Heizungsanlage 23 bis 25
und/oder mit dem ersten Eintritt eines Verbindungsstückes
34 verbindbar ist. Der zweite Eintritt des Verbindungs
stückes 34 führt zur Heizungsanlage 23 bis 25. Das Verbin
dungsstück 34 ist austrittsseitig an die mit dem Kühlflüs
sigkeits-Eintritt des Kühlflüssigkeitsbehälters 2′ verbun
dene Pumpe 9 angeschlossen.
Die Variante gemäß Fig. 4 ist ähnlich ausgestaltet, wie
die Variante gemäß Fig. 3, nur liegt hier die Pumpe 9 zwi
schen Kühlflüssigkeits-Austritt des Kühlflüssigkeitsbehäl
ters 2′ und -Eintritt am Dreiwegeventil 13, während der
Austritt des Verbindungsstückes 34 direkt an den Kühlflüs
sigkeits-Eintritt des Kühlflüssigkeitsbehälters 2′ ange
schlossen ist.
Bei der Variante gemäß Fig. 5 ist schließlich ein Kühl
flüssigkeitsbehälter 2′′ mit einem Kühlflüssigkeits-Aus
tritt und zwei Kühlflüssigkeits-Eintritten vorgesehen, wo
bei der Austritt wie bei der Variante nach Fig. 4 über die
Pumpe 9 mit dem Dreiwegeventil 13 verbunden ist. Das Ver
bindungsstück 34 gemäß Fig. 5 ist jedoch ersetzt durch die
beiden Kühlflüssigkeits-Eintritte, so daß die vom Drei
wegeventil 13 und von der Heizungsanlage 23 bis 25 kom
menden Verbindungsrohre direkt in den Kühlflüssigkeitsbe
hälter 2′′ eintreten.
Claims (9)
1. Stromrichtermodul mit zwangsweisem Kühlflüssig
keits-Strömungsbad, das die von den Bauelementen produ
zierte Wärmeleistung speichert und abführt, wobei minde
stens ein Kühlflüssigkeits-Eintritt (8) und ein -Austritt
(10, 12) vorgesehen sind und das Kühlflüssigkeits-Strömungs
bad zwischen Ein- und Austritt durch eine Pumpe zwangsweise
erzeugt wird, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- - es ist ein zentraler Kühlflüssigkeitsbehälter (2) vorgesehen, in dem wärmeproduzierende elektrische und elektronische Bauelemente (3), wie Widerstände, Kon densatoren, Drosseln, Thyristoren und Dioden vom Kühlflüssigkeits-Strömungsbad umspült werden,
- - es ist ein Dreiwegeventil (13) vorgesehen, mit dessen Hilfe ein Kühlflüssigkeitsstrom vom Stromrichtermodul (1) zu einer Heizungsanlage (23 bis 25) und/oder ein Kühlflüssigkeitsstrom über einen Bypaß (17) parallel zum Stromrichtermodul einstellbar sind,
- - der den Kühlflüssigkeitsbehälter (2) umschließende Gehäuseteil ist derart mit Kühlrippen (18) versehen, daß hierüber bedarfsweise die gesamte produzierte Wärme abgegeben werden kann,
- - es sind Mittel (19 bis 21) zur bedarfsweisen Beauf schlagung der Kühlrippen (18) des Stromrichtermoduls mit einem Kühlluftstrom (29) vorgesehen.
2. Stromrichtermodul nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß zwei Kühlflüssigkeits-Austritte (10, 12) vor
gesehen sind, wobei der erste Kühlflüssigkeits-Austritt
(10) als Vorlauf für eine Heizungsanlage (23, 24, 25) und der
zweite Kühlflüssigkeits-Austritt (12) zum Anschluß des
Dreiwegeventils (13) dient.
3. Stromrichtermodul nach Anspruch 1 und/oder 2, da
durch gekennzeichnet, daß die das Kühlflüssigkeits-Strö
mungsbad erzeugende Pumpe (9) unmittelbar am Gehäuse des
Stromrichtermoduls (1) angeflanscht ist.
4. Stromrichtermodul nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Dreiwegeventil (13) unmittelbar am Ge
häuse des Stromrichtermoduls (1) angeflanscht ist.
5. Stromrichtermodul nach den Ansprüchen 2 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß das den Bypaß bildende Verbin
dungsrohr zwischen Dreiwegeventil (13) und Pumpe (9) im
Stromrichtermodul (1) integriert ist.
6. Stromrichtermodul nach wenigstens einem der An
sprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch den Einsatz von
Brauchwasser als Kühlflüssigkeit.
7. Stromrichtermodul nach wenigstens einem der An
sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Luftkasten
(19) zur Führung des die Kühlrippen (18) beaufschlagenden
Kühlluftstromes (29) am Stromrichtermodul (1) vorgesehen
ist.
8. Stromrichtermodul nach Anspruch 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein über eine Klappe (20) zu öffnender und zu
schließender Luftführungsschacht für eine Fahrtwindkühlung
vorgesehen ist.
9. Stromrichtermodul nach Anspruch 7 und/oder 8, da
durch gekennzeichnet, daß ein Lüfter (21) zur zwangsweisen
Kühlluftzuführung vorgesehen ist.
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