DE4209477C2 - Stromrichtermodul mit Kühlflüssigkeits-Strömungsbad - Google Patents

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.