WO2011151253A1 - Lüfterredundantes kühlsystem - Google Patents
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- WO2011151253A1 WO2011151253A1 PCT/EP2011/058672 EP2011058672W WO2011151253A1 WO 2011151253 A1 WO2011151253 A1 WO 2011151253A1 EP 2011058672 W EP2011058672 W EP 2011058672W WO 2011151253 A1 WO2011151253 A1 WO 2011151253A1
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Definitions
- the present invention relates generally to the cooling of heat generating components, and more particularly to an arrangement and method for cooling heat generating components, particularly power electronic components, while allowing for fan redundant operation
- the dissipation of heat is an important prerequisite for a perfect function in electronic devices. This is especially true for power electronics, as used for example in the field of drive technology, power engineering, solar technology or medical technology for the transformation of electrical energy and releases the high amounts of heat.
- the power electronics components in these areas will be ⁇ occurs from the use of modern power electronic components, such as IGBT switch or the like, more compact. Accordingly, the necessary components for cooling or heat dissipation must be increasingly efficient.
- Another object of the present invention is to provide such a cooling arrangement and method which also dominate a "double" fan failure.
- the cooling arrangement according to the invention for cooling heat-generating components has a volume body which defines a pressure chamber, at least two inlet channels each leading from an inlet opening to the pressure chamber, and at least one outlet channel leading from the pressure chamber to an outlet opening.
- Each of these inlet channels are associated with a fan and a heat sink.
- the fan is configured to draw in air through the inlet opening and to drive it through the inlet channel into the pressure chamber during the Heatsink forms a heat sink channel for a flowing air, which connects the inlet channel with the pressure chamber strömungsconce ⁇ ßig.
- means are further provided which, in the event of a failure of at least one of the fans during operation, cause a reversal of the air flow through the inlet duct associated with the failed fan.
- the air forced into the pressure chamber by the fans through the inlet channels and the heat sink channels reaches the at least one outlet channel and then exits through the outlet opening.
- heat is removed from the heat sink mounted components and dissipates into the environment.
- a portion of the air in the pressure chamber is branched off and discharged through the heat sink, the inlet channel and the inlet opening which are assigned to the failed fan.
- the failed fan of the associated heat sink continues to flow through air and used for cooling.
- the invention is based on the principle that the air ⁇ stream in a heat sink, which is technically provided with a fan ventilation, in case of failure of this is reversed, that changes its direction.
- the fans can only be driven unidirec- tionally, so they do not allow any reversible operation. Rather, this is accomplished solely by the means according to the invention for reversing the air flow direction. This is particularly important if a wear, for example, the bearings of a fan brings about a terminal of the same, so that driving the fan would not be possible.
- the llibraryerredundante operation without materiality ⁇ Lich additional components and cost is made possible. Also, no moving louvers or closure mechanisms are required for this purpose.
- the bulk body preferably has a housing which is substantially closed to the outside except for the inlet and outlet openings.
- the inlet openings of different inlet channels are aligned in different directions.
- inlet channels there are two inlet channels, each with a fan and a heat sink, and only one outlet channel. But it can also be provided at least three inlet channels to cope with a failure of two or more fans can. Alternatively or additionally, two or more mutually independent outlet channels may be provided.
- the fans are preferably axial fans, which are each arranged in the inlet channel such that their axis of rotation is oriented substantially in the longitudinal direction of the inlet channel.
- the suction side of the fan thus points towards the inlet ⁇ opening, while its pressure side faces the common pressure chamber.
- This can provide a compact and efficien ⁇ te arrangement. But can in principle also radial, centrifugal, tangential and other fan ver ⁇ contact if any additional guidance and deflection means are used.
- the fans are preferably electrically driven, wherein brushless ⁇ fan with electronic commutation are preferable in terms of noise and wear behavior. In addition, such fans can also be advantageously controlled or regulated with regard to their speed or power.
- the heat sinks in the cooling arrangement according to the invention have the task of dissipating heat loss by heat conduction from the heat generating components and then deliver them by heat radiation and convection to the environment.
- Such heatsinks are well known in the art in different designs and can be used here. They have a relatively large surface area based on the volume and consist of a good heat-conducting material, such as aluminum or copper or a ceramic material. You can generate the continuous casting or molding process, milled from ei ⁇ nem mold material may be formed of stamped or molded Ble ⁇ chen or otherwise.
- the heat sink is a profile body, for example made of aluminum, which is suitable for mounting components, such as printed circuit boards or the like, and has at least one surface with cooling ribs, which defines the surface-rich heat sink channel or at least partially limited.
- the cooling fins may e.g. parallel to each other, run along the channel. But there are also other designs of the ribs or the channel possible.
- each heat sink is arranged at the transition between the inlet channel and the pressure chamber. This results in a simple and clear construction and ensures that air flows through the heat sink channel both in normal and in reverse operation.
- the inlet ducts are arranged side by side in a horizontal or vertical direction, it is also possible to use a heat sink that is integrally formed or made up of a plurality of elements into a continuous part. This allows the number of parts to be handled and the assembly costs are reduced.
- the flow direction reversal means according to the invention are formed by an advantageous design and design of the components of the cooling arrangement, in particular of the housing, the inlet and outlet channels of the pressure chamber and / or the Lüf ⁇ ter with respect to the volume flows and directions and the flow resistance. These are designed so that when one of the fans in the pressure chamber fails, a sufficiently large excess pressure is built up, which presses air out of the pressure chamber through the inlet duct of the failed fan.
- the overpressure in the pressure chamber is higher than the pressure of the outside environment by at least the differential pressure setting on the failed fan and the pressure losses in the heat sink passage and the inlet passage.
- one or more outlet cooling bodies which are each assigned to a corresponding outlet channel, belong to the means for reversing the flow direction.
- the Auslasskühl redesign are basically designed similar to the inlet cooling body, and preferably disposed immediately before the access to the Auslasska ⁇ nal in the pressure chamber.
- power electronics components can also be mounted and cooled there, for example.
- the starting cooling bodies preferably have a greater flow resistance than the inlet cooling bodies, for example because they are longer and / or carry narrower ribs.
- the means according to the invention for flow direction inverting preferably includes a separator that separates the A ⁇ vent channels from one another such that air flowing through a single inlet duct ⁇ NEN air can not mix with the air inlet of another channel.
- the separator may be formed by the walls of a channel when the are A ⁇ one another vent channels in the distance. In a juxtaposition of inlet channels, the separator may be easily formed by partitions or sheets.
- the separating device serves as a guide device in order to guide the air in a targeted manner through the respective inlet channel to the associated cooling body, so that it is pressed through the inlet cooling body into the pressure chamber. An air short circuit in the sense that air from one inlet channel to the other inlet channel passes without flowing through the heat sink is thereby avoided. In this respect, it is important that the partitions extend into the immediate vicinity of the inlet heat sink.
- a deflection in the form of baffles or other guide elements which deflect the air flow in the pressure chamber.
- a dynamic pressure is generated at the points facing the inlet ducts of the deflection, which is sufficient in case of failure of a fan to push back air through the ⁇ down fan falling inlet cooling body and inlet channel.
- a control device for controlling the fan.
- the control device controls the fans according to preset setpoint values or can also be designed as a closed control loop which controls the operation of the fans, for example, depending on the heat generation in the device or other parameters.
- the controller can with be coupled to a sensor device, for example, detects the temperature within the device, so that the Steuereinrich ⁇ tion can then adjust the speed or power of the fan to the actual temperature conditions.
- control means being capable, in case of failure of the o- or more fans that this electrically disable via associated switching elements and thus to bring targeted for shutting ⁇ stand. This helps conflict states such example ⁇ wise to avoid low-speed fan and in particular ⁇ sondere advantageous if the reversed operation achieves better cooling.
- control device further comprises a control logic for the fan, which controls the fan with a reduced speed or power in normal operation and at least one of the fan drives the other, intact fan with increased speed or power in case of failure.
- the fans are therefore designed with sufficient power reserve.
- the partial load operation of the fans in normal mode increases their service life.
- the functioning fans can be operated to their power limit, so that the entire system can work without restrictions with sufficient heat dissipation. Even if several fans fail, the entire system can continue to operate with some performance degradation.
- control device can be extended by a furtherêta ⁇ quality of a cleaning mode.
- the air inlets for the cooling of these systems to protect against coarse impurities usually with grids are or Seven provided. These can become infected with leaves, plastic films, paper, etc.
- the control device according to the invention can be set up to selectively switch off individual fans in periodic cleaning modes, so that the air stream reversed in the associated inlet channel can blow through the grid or sieve at the inlet and thus free it of impurities.
- an inverter is provided with an inverter arrangement for converting direct voltage, in particular solar generator voltage, into alternating voltage, in particular mains voltage of a supply network.
- the inverter has a cooling arrangement according to the invention, as described above.
- the cooling arrangement and the inverter arrangement are accommodated in a common housing, wherein the power components of the inverter are mounted on the cooling bodies of the cooling arrangement.
- the cooling arrangement is preferably designed to guide the air from one side to the other side of the housing transversely through the interior, that is to say for horizontal cooling.
- the inverter can be operated in both a freestanding and a back mounted arrangement. If necessary, the cooling arrangement can also be set up for vertical cooling or for another cooling direction.
- a method for cooling heat generating components in particular power electronics components, is provided.
- a Vo ⁇ lumen body is provided with a housing which defines a pressure ⁇ chamber, at least two inlet channels, each leading from an inlet opening to the pressure chamber, and at least one outlet channel, which leads from the pressure chamber to an outlet opening ⁇ .
- electrically driven fan in each of the intake channels are arranged, while a heat sink which carries the components to be cooled, adjacent to the flow channel is arranged at the inlet to the pressure chamber A ⁇ .
- the fans are preferably operated in gest your ⁇ ter or controlled fashion to suck air through the inlet openings and to be printed by the inlet channels therethrough, past the cooling bodies in the pressure chamber and for discharging an outlet channel the air through the at least.
- the outlet channel (s) preferably also have heat sinks with components to be cooled.
- a portion of the air flowing into the pressure chamber is diverted through the heat sink and into the inlet duct associated with the failed fan so that the air is reversed through the inlet duct flows and exits through the associated inlet opening.
- FIG. 1 shows a perspective view of an inverter according to the previous invention with a closed housing. se;
- FIG. 2 shows the inverter of Figure 1 with the housing open in a perspective view, in slightly enlarged measure ⁇ rod and with a different direction of view from the side;
- FIGS 3a-3c are plan views of a cooling arrangement according to the invention, which can be used in the inverter of Figure 1 and 2, in a simplified representation illustrating different operating modes in
- Figures 4a and 4b show a further embodiment of a cooling arrangement according to the invention with a minimum configuration of the inlet channels in plan view, in a highly simplified representation, illustrating the normal and the reversion operation;
- FIG. 6A and 6B a further embodiment of a cooling arrangement according to the invention in plan view, in a highly simplified representation illustrating the normal and the reversion operation;
- FIG. 7 is a flowchart illustrating a method of cooling heat-generating components according to an embodiment of the invention.
- Fig. 1 illustrates in a simplified perspective an inverter according to the invention 1, which may be provided for example for a photovoltaic solar plant for producing Wech ⁇ selschreib from a DC voltage.
- the inverter 1 is intended for outdoor use and is connected in a known manner with a unspecified Darge ⁇ presented solar generator on the one hand and on the other hand with An ⁇ conclusions, for example, a public utility network (not illustrated).
- the inverter 1 is designed in the manner of a control cabinet with a housing 2, which is completed to the outside in Wesentli ⁇ chen and defines an interior space 3 (Fig. 2).
- the housing 2 is closed and has a top 4, a bottom 6, which also serves as a base, a front 7, a back 8 and two narrow side surfaces 9, 11.
- the inlet ports 13a, 13b and 13c contributes in the form of a grid-like array of slots belonging to an inventive cooling arrangement 14, as described in more detail below.
- the cover 12 here has a trapezoidal shape in cross section with differently oriented surface areas on which the individual inlet openings 13a-c are provided, which thus each point in different directions.
- the cooling arrangement 14 according to the invention can be seen in greater detail from FIG. 2, which shows the inverter 1 in a simplified representation with the front wall 7 of the housing 2 removed. Furthermore, some components of the inverter 1, which are located immediately behind the front wall 7, are removed. These components, such as example ⁇ power supply components, additional heat exchangers or the like, are in themselves of no importance for the present invention, but are also cooled by the cooling arrangement 14 according to the invention. As illustrated, the cooling arrangement 14 is arranged in the middle region between the two switch cabinet parts which adjoin directly to the front side 7 and the back side 8, respectively, and to the air duct in the transverse direction through the interior 3 from the side 9 to the side 11 set up.
- the cooling arrangement 14 here has three inlet ⁇ channels 16a, 16b, 16c, a pressure chamber 17 and three Auslasska ⁇ channels 18a, 18b, 18c.
- the number of inlet and Auslasska ⁇ channels is merely exemplary here. However, to enable redundant operation, at least two inlet channels are required and a single outlet channel is sufficient.
- Each inlet channel extends from the depending ⁇ assis inlet opening 13a-c (of which in Fig. 2, only the inlet port is shown 13c) in horizontal direction to the pressure chamber 17, which is substantially in the central region between the sides 9 and 11 is arranged. More specifically, each inlet channel 16a-c extends to a heat sink assembly 19 located at the exit of the inlet channels 13a-c, at the junction with the pressure chamber 17. *** " The inlet channels 16a-c are directly superimposed in the vertical arrangement of Figure 2, one next to the other, and air-insulated from one another by partitions 21a, 21b so that the air streams in the inlet channels can not mix with each other before entering the pressure chamber reach.
- the partition walls 21a, 21b extend from the cover 12 to the heat sink assembly 19.
- each Einlasska ⁇ nal 16a, 16b, 16c a fan 22a, 22b and 22c arranged.
- the fans 22a-c are here designed as axial fans which are mounted on a common mounting plate 23 (Fig. 3a) one above the other so as to be substantially in the center of each inlet 16a-c and their axes of rotation in the longitudinal direction of the inlet channels 16a -c are oriented.
- the Mounting plate 23 is oriented transversely to the longitudinal direction of the ducts 16a-c ⁇ Einlasska and closes it so that the entire ge ⁇ intake air passes through the fan 22a-c.
- the heat sink assembly 19 is shown here as an elongate block that extends substantially transverse to the inlet channels 16a-c.
- the block 19 is here composed of two interconnected parts, but also a one-piece or multi-piece heat sink could be provided with, for example, three separate parts.
- one each intake passage 16a, 16b or 16c associated with the cooling body segment 19a, 19b and 19c is referred to (see. Fig. 3a) and simply called cooling ⁇ body.
- the heat sinks have the task to dissipate heat loss by Wär ⁇ metechnisch of heat-generating components and then deliver them by heat radiation and convection to the environment.
- the heat sink 19 is formed by a ribbed block, for example made of aluminum or another good thermally conductive metal, which has a flat surface 24 and a number of zuein ⁇ parallel ribs 26.
- the planar surface 24 is suitable and intended for mounting components.
- the ribs 26, which serve to increase the surface, project from the side facing away from the surface 24 of the base body 19.
- the relatively small distance between the ribs 26 defines a main body channel 27 extending in the longitudinal direction of the ribs 26.
- the heat sink channels 27a, 27b and 27c assigned to the individual heat sink segments 19a, 19b, 19c connect the respective inlet channel 16a, 16b or 16c to the pressure chamber 17.
- On the opposite side of the pressure chamber 17 in relation to the heat sink assembly 19 is an assembly of AuslasskühlMechn 28a, 28b, 28c, essentially forming the outlet channels 18a, 18b, 18c, the Druckkam ⁇ mer 17 connect to a common outlet 29th
- the outlet 29 is provided as an elongated slotted outlet opening on the narrow side 11.
- the outlet cooling bodies 28a-c are substantially similar to the inlet cooling bodies 19a-c, for example also in the form of ribbed tread blocks, but they are designed for higher outputs. In ⁇ game as they have a smaller fin spacing in comparison ⁇ equal to the inlet heat sinks 19a-c and thus to an increased flow resistance or pressure loss during operation.
- the pressure chamber 17 is common to all inlet and outlet ports 16, 18 and centrally located therein in a volume 31, generally designated 31, which is substantially outwardly outward except for the inlet and outlet ports 16, 18.
- the flow body 31 is here essentially by individual portions of the housing 2, an interim ⁇ rule wall 32, the partitions 21a, 21b, corresponding, not shown in detail here partition walls on the outlet side, and other components of the inverter 1 is formed and defi ⁇ ned the cooling arrangement according to the invention 14th
- the cooling arrangement 14 is used to cool heat producing power electronic components of the inverter 1.
- Reference neh ⁇ mend to the Figures 3a-3c it is seen that the Leis ⁇ consumer electronics components 33, 34 of the inverter, have the high-frequency connected and thus hot-running switch on ⁇ , on the smooth surface 24 of the inlet and Aus ⁇ lasskühl stresses 19, 28, for example, are attached with a heat-conducting adhesive.
- Figures 3a-3c show a simplified plan view of the cooling arrangement 14 according to the invention as sol ⁇ che without the other components of the inverter 1. Die Operation of the cooling arrangement according to the invention is explained below with reference to FIGS. 3a-3c, in which ⁇ nen different modes are shown, which can be adjusted during operation.
- FIG. 3b shows an operating state which occurs when, for example, the lower fan 22c in the figures fails.
- the other fan 22a, 22b lead, further air from the common pressure chamber 17 to, wherein only a portion of this air then through the exhaust ports 18a-c ⁇ exits.
- a further portion of the air branches off and flows through the heat sink channel 27c into the inlet ⁇ channel 16c into and further through this and through the failed fan 22c through before it exits through the inlet port 13c into the environment.
- This air fraction thus flows in the opposite direction through the inlet channel 13c as compared to the normal operation, as illustrated by the arrow 36c.
- the flow direction reversal is au ⁇ matically, solely by the fluid dynamic configuration and design of the volume body 31, including inlet and outlet ports 16a-c, 18a-c, the pressure chamber 17, the cooling ⁇ body 19a-c, 28a-c, the Partitions 21a, 21b and other the volume body 31 defining housing parts achieved.
- the increased flow resistance of the Auslasskühlkör ⁇ leads by 28a-c compared to the inlet heat sinks 19a-c to a pressure buildup in the pressure chamber 17, then the air in the reverse direction by the failed fan, for example, 22c, associated inlet channel, for example, 16c, drives.
- the advantageous separation of the inlet channels of ⁇ each other through the partitions 21a, b prevents an air-technical short circuit may arise in the sense that transported through an inlet duct air directly into the inlet channel of a failed fan passes without the heat sink 19a-c to flow through. Rather, the arrangement of the invention ensures that the air always flows through all cooling ⁇ body segments 19a-c.
- FIG. 3c further shows a state in which only the upper fan 22a is still functional, while the other fans 22b and 22c have failed.
- the functional fan 22a provides alone for the air supply, the 17 incoming air stream then to the exhaust ports 18a-c through the inlet channel 13a into the pressure chamber and the inlet channels 16b, 16c of the originallyfal ⁇ lenen fan 22b, 22c divides, wherein the latter in the to be flowed through in the opposite direction to the normal operation in the opposite direction.
- This condition with umledgeter direction of flow through an inlet channel is to be here, be ⁇ characterized as a reverse operation.
- the inlet openings 13a-c are in different directions, as can be seen from Figure 1, aligned ⁇ so that from at least one of said openings emerging warm air is not directly sucked in through another inlet opening again in the reverse operation.
- cooling arrangement 14 according to FIGS. 1 to 3 is illustrated with respect to a horizontal cooling of the components, the cooling arrangement can also be adapted for vertical cooling or for cooling in any desired direction.
- additional guide and deflection can be provided.
- FIGS. 4 to 6 Further modifications of the invention are shown in FIGS. 4 to 6. As far as conformity in construction and / or function, reference is made to the above description using the same reference numerals. In this case, some details may also be omitted.
- the fan 22b As the fan 22b, a portion of the air is branched in the pressure chamber and transported in the reverse direction through the inlet channel 16b, before it exits through the inlet port 13b into the environment.
- the inlet openings 13a, 13b arranged on different sides of the volume body 31, so that a disturbing tonewir ⁇ kung in the sense of Wiederansaugens already heated air can be largely avoided.
- FIGS. 5a and 5b show a further embodiment of the cooling arrangement 14 according to the invention with a modified embodiment of the volume body 31, which here has a star-like configuration.
- the pressure chamber 17 comprises here in the cross section according to Figures 5a and 5b an approximated to an isosceles triangle shape, where ⁇ at each side of the triangle 18 is associated with one of the inlet or Auslasska ⁇ ducts 16a, 16b,.
- the inlet channels 13a, 13b are in turn separated from each other by the channel walls which form the separating device 21, so that no ventilation short circuit can occur.
- this Aus ⁇ leadership works like the previous embodiments, with the special opposite arrangement of the channels 16a, 16b supports the reversion operation in addition.
- FIGS. 6a and 6b show a modification of the embodiment according to FIGS. 4a and 4b, in which the heat sinks 28a, 28b are removed at the outlet of the cooling arrangement 14.
- ⁇ which is here in the pressure chamber 17
- an arrangement of baffle walls 38a, 38b and 38c which must flow around the air in the pressure chamber 17 to the outlet 29 gelan- to gen.
- the baffles 38a-c cause in case of failure ei ⁇ nes of the fan, including the fan 22b that is on the intake ports 16a, 16b side facing the deflecting walls 38a-c back pressure building up a portion of the air in the reverse direction through the inlet duct 16b drives.
- the deflection walls 38a-c or other deflection devices can also be used together with one or more outlet cooling bodies 28.
- a controller 39 for controlling fan operation This is preferably provided when the fans can be controlled or regulated in terms of their speed or power.
- the control device 39 is preferably detected by a sensor not shown in detail here means the temperature inside the volume of body 31 and provides for example a, the rotational speed corresponding to the Benö ⁇ preferential cooling performance.
- the control device 39 is preferably able to switch off over not shown here switching elements ⁇ individual fans 22a-c. Thus, specifically shut down and through which subsequently adjusting Reversionsbe ⁇ operating a better cooling of components can be achieved erroneous, too slow running fan.
- the control device 39 may also have a control logic, which can operate the fan with reduced power or speed during normal operation, whereby they are also spared. Upon failure of one or more of the fans, the logic then causes the remaining operational fans to operate at higher power to maximum power to further ensure adequate cooling of the overall system.
- control device may have a control logic that selectively periodically shuts off one of the fans to effect reversion operation to prevent soiling can stick to the inlet ports 13a-c to blow away. This is an advantage, for example, with inverters for photovoltaic systems that are used outdoors.
- FIG. 7 shows a flowchart of a method according to the invention for cooling heat-generating components, in particular power electronic components.
- a body is provided with a housing defining a pressure chamber, a number of inlet channels each leading from an inlet opening to the pressure chamber, and a plurality of outlet channels respectively leading from the pressure chamber to an outlet opening.
- the solid and its components can have any desired configuration, in particular one of the advantageous embodiments according to FIGS. 1 to 6.
- an electrically driven fan is arranged in each of the inlet passages which are isolated from one another in terms of flow.
- a cooling ⁇ body is assigned to each inlet channel, which carries components to be cooled and preference ⁇ is arranged adjacent to the inlet channel at the inlet to the pressure ⁇ chamber.
- the fans as shown above, axial fans and the heat sink high performance cooler with an extremely low rib spacing and thus a large surface area per volume.
- step 43 the normal operating mode is performed in which the fans are operated to draw in air through the inlet openings and through the at least two inlet channels and inlet heat sink channels into the pressure ⁇ chamber to press, the air then through the at least one outlet channel to the outside exit.
- the components mounted on the heatsinks are efficiently cooled.
- step 46 a proportion of the inflowing air into the pressure chamber through the heat sink duct and in the inlet duct is pushed associated with the fallen from ⁇ fan.
- the air then flows in a direction opposite to the normal operation reverse direction through the inlet channel and exits through the associated inlet ⁇ opening to the outside.
- Bautei ⁇ le are at the associated with the failed fan heat sink cooled.
- the method corresponds to the mode of operation of the cooling arrangement according to the invention, so that reference is additionally made to the statements made above in connection with FIGS. 1 to 6, which apply correspondingly also to the method according to the invention.
- the cooling arrangement 14 has a volume body 31, which has a pressure chamber 17, at least two inlet channels 16a-c, which each extend from an inlet opening 13a-c to the first
- Pressure chamber 17 lead, and at least one outlet channel 18 a-c, which leads from the pressure chamber to an outlet opening 29.
- Each of the inlet channels 16a-c is a fan 22a-c, which is directed ⁇ to suck air through the inlet channel and to drive the pressure chamber, and a heat sink 19a-c assigned, which carries a power electronic component and a top ⁇ rich heatsink channel 27a-c for air flowing through forms, which connects the inlet channel with the pressure chamber strömungsconce ⁇ ßig.
- air which flows through the cooling bodies 19a-c cools the components mounted thereon and is discharged to the outside from the common pressure chamber 17 via the at least one outlet channel 18a-c.
- means 21a, 21b; See 28a-c provided ⁇ which are adapted to pass through the associated with the failed fan inlet channel 16a-c to cause a reversal of the airflow in case of failure of at least one of the fans 22a-c in operation, so that the air in umgehrter direction through this inlet channel flows and ⁇ A passage opening 13a-c exits through the associated outward.
- components which are mounted on the associated heat sink are cooled by the air flowing in the reverse direction, even in the event of a fan failure.
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Abstract
Es sind eine lüfterredundante Anordnung und ein lüfterredundantes Verfahren zum Kühlen von Leistungselektronikbauteilen geschaffen. Die Kühlanordnung (14) weist einen Volumenkörper (31) auf, der eine Druckkammer (17), wenigstens zwei Einlasskanäle (16a-c), die jeweils von einer Einlassöffnung (13a-c) zu der Druckkammer (17) führen, und wenigstens einen Auslasskanal (18a-c) auf, der von der Druckkammer zu einer Auslassöffnung (29) führt. Jedem der Einlasskanäle (16a-c) ist ein Lüfter (22a-c), der eingerichtet ist, um Luft durch den Einlasskanal anzusaugen und zu der Druckkammer zu treiben, und ein Kühlkörper (19a-c) zugeordnet, der ein Leistungselektronikbauteil trägt und einen oberflächenreichen Kühlkörperkanal (27a-c) für durchströmende Luft bildet, der den Einlasskanal mit der Druckkammer strömungsmäßig verbindet. Im Normalbetrieb kühlt Luft, die die Kühlkörper (19a-c) durchströmt, die darauf montierten Bauteile und wird anschließend aus der gemeinsamen Druckkammer (17) über den wenigstens einen Auslasskanal (18a-c) nach außen ausgegeben. Erfindungsgemäß sind ferner Mittel (21a, 21b; 28a-c) vorgesehen, die eingerichtet sind, um beim Ausfall wenigstens eines der Lüfter (22a-c) im Betrieb eine Umkehrung der Luftströmung durch den dem ausgefallenen Lüfter zugeordneten Einlasskanal (16a-c) zu bewirken, so dass die Luft in umgehrter Richtung durch diesen Einlasskanal strömt und durch die zugehörige Einlassöffnung (13a-c) nach außen austritt. Dadurch werden auch bei einem Lüfterausfall Bauteile, die an dem zugehörigen Kühlkörper montiert sind, durch die in umgekehrter Richtung durchströmende Luft gekühlt.
Description
Lüfterredundantes Kühlsystem
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Kühlung Wärme erzeugender Bauteile und insbesondere eine Anordnung und ein Verfahren zum Kühlen Wärme erzeugender Bauteile, insbeson- dere leistungselektronischer B .uteile, unter Ermöglichung ei- nes lüfterredundanten Betriebs
Die Abführung von Wärme ist in Elektronikgeräten eine wichtige Voraussetzung für eine einwandfreie Funktion. Dies gilt insbesondere auch für die Leistungselektronik, wie sie beispielsweise im Bereich der Antriebstechnik, Energietechnik, Solartechnik oder Medizintechnik zur Umformung elektrischer Energie eingesetzt wird und die hohe Wärmemengen freisetzt. Die Leistungselektronikteile in diesen Bereichen werden be¬ dingt durch den Einsatz moderner leistungselektronischer Komponenten, wie z.B. IGBT-Schalter oder dergleichen, immer kompakter. Dementsprechend müssen auch die dafür notwendigen Komponenten zur Kühlung bzw. Wärmeabführung immer leistungsfähiger werden.
Üblicherweise werden zur Abführung von Wärme Lüftungsöff¬ nungen in den Gehäusen, Kühlkörper und in zunehmendem Maße auch Lüfter eingesetzt. Letztere bewirken eine erhebliche Steigerung des Gehäuseluftdurchsatzes und ermöglichen dadurch eine Verkleinerung der eingesetzten Kühlkörper, eine höhere Packungsdichte und gefälligere Gehäuseformen.
Als Lüfter werden meist bürstenlose Lüfter mit elektronischer Kommutierung eingesetzt, die keinen mechanischen
Schleifkontakt zum Anker haben. Dadurch lassen sich Geräusch-
und Verschleißprobleme reduzieren. Gleichwohl bleiben Lüfter bei den vorstehend genannten Anwendungen in den meisten Fällen die einzigen Bauteile, die bewegt werden und einem mechanischen Verschleiß, z.B. an ihren Lagern, unterworfen sind. Ein verschlissenes Lager kann zu einer reduzierten Drehzahl oder sogar vorständiger Klemmung des Lüfters führen, was eine Überhitzung der Gerätekomponenten herbeiführen und gegebenenfalls eine Beschädigung und einen Ausfall des Gerätes zur Folge ha¬ ben kann. In vielen Anwendungsfällen sind aber Geräteausfälle kostenintensiv und nicht akzeptabel.
Zur Lösung dieses Problems sind in der Technik unterschiedliche Lösungsansätze vorgeschlagen worden. Beispielswei¬ se ist vorgeschlagen worden, das Gesamtsystem insgesamt redundant aufzubauen, also z.B. ein zusätzliches Elektronikgerät vorzusehen, auf das im Bedarfsfalle umgeschaltet wird. Dies steigert jedoch den Gesamtaufwand und die Kosten wesentlich. Außerdem ist vorgeschlagen worden, Leistungsteile mit höherer Anzahl von Lüftern auszustatten und den Luftweg mit Luftklappen oder dergleichen zu steuern, die entweder über den Luftstrom selbstständig oder elektro-mechanisch betätigt werden. Hierfür sind jedoch wiederum verschleißbehaftete Komponenten, wie VerStellantriebe, Endschalter, etc., erforderlich. Glei¬ ches gilt auch für Lösungsansätze, die zum Abschotten eines ausgefallenen Lüfters eine Verschlussmechanik einsetzen, die bedarfsweise einen lufttechnischen Kurzschluss unterbricht. Darüber hinaus sind auch Lösungen bekannt, die die doppelte Anzahl von Lüftern einsetzen, von denen jeweils zwei in Reihe zueinander, einer am Lufteintritt und ein zugehöriger zweiter am Luftaustritt, angeordnet sind. Damit kann ein Ausfall eines Lüfters durch den zugehörigen zweiten kompensiert werden.
Wenngleich diese Lösungsansätze einen lüfterredundanten Betrieb ermöglichen, weisen sie insbesondere den Nachteil auf, dass die Schaffung der Redundanz mit relativ hohen zusätzlichen Kosten und einer deutlich erhöhten Komplexität des Ge-
samtsystems verbunden ist. Zum Teil sind auch die Betriebskos¬ ten durch den erhöhten Strombedarf z.B. der zusätzlich in Reihe vorgesehenen Lüfter vergrößert. Außerdem lässt sich mit den meisten Lösungsansätzen ein „doppelter" Lüfterausfall, also ein gleichzeitiger Ausfall von zwei Lüftern, nicht beherrschen .
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein lüf¬ terredundantes Kühlsystem zu schaffen, das die vorstehend er¬ wähnten Unzulänglichkeiten überwindet. Insbesondere ist es ei¬ ne Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine effiziente Kühlanordnung und ein effizientes Kühlverfahren zum Kühlen Wärme erzeugender Bauteile, insbesondere Leistungselektronikbauteile für Antriebs-, Energie- und Solaranlagen, zu schaffen, die ei¬ nen lüfterredundanten Betrieb beim einfachen Aufbau auf kostengünstige Weise ermöglichen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine derartige Kühlanordnung und ein derartiges Kühlverfahren zu schaffen, die auch einen „doppelten" Lüfterausfall beherrschen .
Diese Aufgaben werden durch die erfindungsgemäße Kühlanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und das erfin¬ dungsgemäße Kühlverfahren nach Anspruch 16 gelöst.
Die erfindungsgemäße Kühlanordnung zum Kühlen Wärme erzeugender Bauteile, insbesondere Leistungselektronikbauteile, weist einen Volumenkörper auf, der eine Druckkammer, wenigstens zwei Einlasskanäle, die jeweils von einer Einlassöffnung zu der Druckkammer führen, und wenigstens einen Auslasskanal definiert, der von der Druckkammer zu einer Auslassöffnung führt. Einem jeden dieser Einlasskanäle sind ein Lüfter und ein Kühlkörper zugeordnet. Der Lüfter ist eingerichtet, um Luft durch die Einlassöffnung anzusaugen und durch den Einlasskanal hindurch in die Druckkammer zu treiben, während der
Kühlkörper einen Kühlkörperkanal für eine durchströmende Luft bildet, der den Einlasskanal mit der Druckkammer strömungsmä¬ ßig verbindet. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind ferner Mittel vorgesehen, die eingerichtet sind, um im Falle eines Ausfalls wenigstens eines der Lüfter im Betrieb eine Umkehrung der Luftstömung durch den dem ausgefallenen Lüfter zugeordneten Einlasskanal zu bewirken.
Im Normalbetrieb gelangt also die von den Lüftern durch die Einlasskanäle und die Kühlkörperkanäle in die Druckkammer getriebene Luft zu dem wenigstens einen Auslasskanal und tritt dann durch die Auslassöffnung aus. Dabei wird an den Kühlkörpern montierten Bauteilen Wärme entzogen und in die Umgebung abführt. Beim Ausfall wenigstens eines der Lüfter wird ein An¬ teil der Luft in der Druckkammer abgezweigt und durch den Kühlkörper, den Einlasskanal und die Einlassöffnung, die dem ausgefallenen Lüfter zugeordnet sind, ausgegeben. Vorteilhafterweise kann trotz des ausgefallenen Lüfters der zugehörige Kühlkörper weiterhin luftdurchströmt und zur Kühlung herangezogen werden.
Der Erfindung liegt das Prinzip zugrunde, dass der Luft¬ strom in einem Kühlkörper, der lufttechnisch mit einem Lüfter versehen ist, bei einem Ausfall von diesem reversiert wird, d.h. seine Richtung ändert. Die Lüfter sind aber nur unidirek- tional antreibbar, ermöglichen selbst also keinen reversiblen Betrieb. Vielmehr wird dies allein durch die erfindungsgemäßen Mittel zur Luftströmungsrichtungsumkehr bewerkstelligt. Dies ist insbesondere wichtig, wenn ein Verschleiß beispielsweise der Lager eines Lüfters ein Klemmen desselben herbeiführt, so dass ein Antreiben des Lüfters gar nicht möglich wäre. Vorteilhafterweise wird der lüfterredundante Betrieb ohne wesent¬ lich zusätzliche Komponenten und Kosten ermöglicht. Auch sind hierzu keine bewegten Luftklappen oder Verschlussmechanismen erforderlich .
Der Volumenkörper weist vorzugsweise ein Gehäuse auf, das abgesehen von den Einlass- und Auslassöffnungen nach außen im Wesentlichen abgeschlossen ist. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Einlassöffnungen unterschiedlicher Einlasskanäle in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet. Damit kann ein Wiederansaugen erwärmter Luft, die im Falle eines Lüfterausfalls durch eine Einlassöffnung ausströmt, in die anderen Einlassöffnungen weitgehend vermieden werden. Die Erfindung lässt sich vorteilhafterweise für Anwendungen einsetzen, bei denen eine Gerätezugänglichkeit von mehreren Seiten möglich ist, insbesondere für Anwendungen im Außenbereich.
In einer minimalen Konfiguration sind zwei Einlasskanäle mit jeweils einem Lüfter und einem Kühlkörper und nur ein Auslasskanal vorgesehen. Es können aber auch wenigstens drei Einlasskanäle vorgesehen sein, um auch einen Ausfall von zwei o- der mehreren Lüftern bewältigen zu können. Alternativ oder zusätzlich können auch zwei oder mehrere voneinander unabhängige Auslasskanäle vorgesehen sein.
Die Lüfter sind vorzugsweise Axiallüfter, die jeweils in dem Einlasskanal derart angeordnet sind, dass ihre Drehachse im Wesentlichen in Längsrichtung des Einlasskanals ausgerichtet ist. Die Saugseite des Lüfters zeigt also zu der Einlass¬ öffnung hin, während seine Druckseite der gemeinsamen Druckkammer zugewandt ist. Dadurch kann eine kompakte und effizien¬ te Anordnung geschaffen werden. Prinzipiell lassen sich aber auch Radial-, Zentrifugal-, Tangential- und andere Lüfter ver¬ wenden, wenn gegebenenfalls zusätzliche Leit- und Umlenkmittel eingesetzt werden.
Die Lüfter sind vorzugsweise elektrisch antreibbar, wobei hinsichtlich des Geräusch- und Verschleißverhaltens bürstenlo¬ se Lüfter mit elektronischer Kommutierung vorzuziehen sind. Außerdem lassen sich derartige Lüfter auch vorteilhafterweise hinsichtlich ihrer Drehzahl oder Leistung steuern bzw. regeln.
Die Kühlkörper in der erfindungsgemäßen Kühlanordnung haben die Aufgabe, Verlustwärme durch Wärmeleitung von den Wärme erzeugenden Bauelementen wegzuleiten und diese dann durch Wärmestrahlung und Konvektion an die Umgebung abzugeben. Derartige Kühlkörper sind aus der Technik in unterschiedlichen Bauformen allgemein bekannt und können hier genutzt werden. Sie weisen eine relativ große Oberfläche bezogen auf das Volumen auf und bestehen aus einem gut Wärme leitenden Material, wie Aluminium oder Kupfer oder aus einem keramischen Werkstoff. Sie können im Strangguss- oder Pressverfahren erzeugt, aus ei¬ nem Formmaterial gefräst, aus gestanzten oder geformten Ble¬ chen oder in sonstiger Form gebildet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kühlkörper ein Profilkörper, beispielsweise aus Aluminium, der wenigstens eine ebene Fläche, die sich zur Montage von Bauteilen, wie Leiterplatten oder dergleichen, eignet und wenigstens eine 0- berfläche mit Kühlrippen aufweist, die den oberflächenreichen Kühlkörperkanal definiert bzw. wenigstens teilweise begrenzt. Die Kühlrippen können z.B. parallel zueinander, längs des Kanals verlaufen. Es sind aber auch andere Gestaltungen der Rippen bzw. des Kanals möglich.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist jeder Kühlkörper am Übergang zwischen dem Einlasskanal und der Druckkammer angeordnet. Dies ergibt einen einfachen und übersichtlichen Aufbau und stellt sicher, dass Luft sowohl im normalen als auch im reversierten Betrieb durch den Kühlkörperkanal strömt.
Wenn die Einlasskanäle in horizontaler oder vertikaler Richtung nebeneinander angeordnet sind, kann auch ein in einem Stück integral ausgebildeter oder aus mehreren Elementen zu einem zusammenhängenden Teil zusammengefügter Kühlkörper eingesetzt werden. Dadurch können die zu handhabende Teileanzahl
und der Montageaufwand reduziert werden.
Die erfindungsgemäßen Mittel zur Strömungsrichtungsumkehr sind durch eine vorteilhafte Gestaltung und Auslegung der Komponenten der Kühlanordnung, insbesondere des Gehäuses, der Einlass- und Auslasskanäle der Druckkammer und / oder der Lüf¬ ter hinsichtlich der Volumenströme und -richtungen und der Strömungswiderstände gebildet. Diese sind so ausgelegt, dass beim Ausfall eines der Lüfter in der Druckkammer ein hinreichend großer Überdruck aufgebaut wird, der Luft aus der Druckkammer durch den Einlasskanal des ausgefallenen Lüfters drückt. Der Überdruck in der Druckkammer ist gegenüber dem Druck der Außenumgebung um wenigstens den Differenzdruck, der sich an dem ausgefallenen Lüfter einstellt, und die Druckverluste in dem Kühlkörperkanal und dem Einlasskanal höher.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung gehören zu den Mitteln zur Strömungsrichtungsumkehr ein oder mehrere Auslasskühlkörper, die jeweils einem entsprechenden Auslasskanal zugeordnet sind. Die Auslasskühlkörper sind prinzipiell ähnlich wie die Einlasskühlkörper gestaltet und vorzugsweise unmittelbar vor dem Zugang zu dem Auslasska¬ nal in der Druckkammer angeordnet. Somit können auch dort z.B. Leistungselektronikbauteile angebracht und gekühlt werden. Die Ausgangskühlkörper weisen vorzugsweise gegenüber den Einlasskühlkörpern einen größeren Strömungswiderstand auf, indem sie beispielsweise länger gestaltet sind und/oder engere Rippen tragen. Vorteilhafterweise können so genannte Hochleistungs¬ kühler eingesetzt werden, die einen sehr geringen Rippenabstand und dadurch eine äußerst große auf das Volumen bezogenen Oberfläche aufweisen. Somit weisen sie von Natur aus einen erhöhten Strömungswiderstand bzw. Druckverlust auf. Sie fördern dadurch den Aufbau eines hinreichend großen Überdrucks in der Druckkammer für der Reversionsbetrieb.
Zu den erfindungsgemäßen Mitteln zur Strömungsrichtungs-
umkehr gehört vorzugsweise eine Trenneinrichtung, die die Ein¬ lasskanäle derart voneinander trennt, dass durch einen einzel¬ nen Einlasskanal strömende Luft sich nicht mit der Luft eines anderen Einlasskanals vermischen kann. Die Trenneinrichtung kann durch die Wände eines Kanals gebildet sein, wenn die Ein¬ lasskanäle im Abstand zueinander angeordnet sind. Bei einer Nebeneinanderanordnung von Einlasskanälen kann die Trenneinrichtung einfach durch Trennwände bzw. -bleche gebildet sein. Die Trenneinrichtung dient gleichzeitig als Führungseinrichtung, um die Luft gezielt durch den jeweiligen Einlasskanal bis zu dem zugehörigen Kühlkörper zu führen, so dass diese durch den Einlasskühlkörper hindurch in die Druckkammer gedrückt wird. Ein lufttechnischer Kurzschluss in dem Sinne, dass Luft von einem Einlasskanal zu dem anderen Einlasskanal übertritt, ohne die Kühlkörper zu durchströmen, wird dadurch vermieden. Insofern ist es wichtig, dass die Trennwände sich bis in die unmittelbare Nähe der Einlasskühlkörper erstrecken.
Alternativ oder zusätzlich zu den Auslasskühlkörpern kann in der Druckkammer auch eine Umlenkeinrichtung in Form von Umlenkblechen oder sonstigen Leitelementen vorgesehen sein, die den Luftstrom in der Druckkammer umlenken. Wenn die Luft die Umlenkbleche umströmt, wird an den Einlasskanälen zugewandten Stellen der Umlenkeinrichtung ein Staudruck erzeugt, der beim Ausfall eines Lüfters ausreicht, um Luft durch den dem ausge¬ fallenen Lüfter zugehörigen Einlasskühlkörper und Einlasskanal zurückzudrücken .
Insbesondere wenn die Lüfter hinsichtlich ihrer Drehzahl oder Leistung elektronisch steuerbar sind, ist zur Steuerung der Lüfter eine Steuereinrichtung vorgesehen. Die Steuereinrichtung steuert die Lüfter entsprechend voreingestellten Sollwerten oder kann auch als ein geschlossener Regelkreis ausgeführt sein, der beispielsweise in Abhängigkeit von der Wärmeerzeugung in dem Gerät oder sonstigen Parametern die Betriebsweise der Lüfter steuert. Die Steuereinrichtung kann mit
einer Sensoreinrichtung gekoppelt sein, die z.B. die Temperatur innerhalb des Gerätes erfasst, so dass die Steuereinrich¬ tung dann die Drehzahl bzw. Leistung der Lüfter an die tatsächlichen Temperaturverhältnisse anpassen kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinrichtung in der Lage, bei einem Ausfall eines o- der mehrerer Lüfter diesen bzw. diese über zugehörige Schaltelemente elektrisch abzuschalten und somit gezielt zum Still¬ stand zu bringen. Dies hilft, Konfliktzustände, wie beispiels¬ weise zu langsam laufende Lüfter, zu vermeiden und ist insbe¬ sondere dann von Vorteil, wenn der reversierte Betrieb eine bessere Kühlung erzielt.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Steuereinrichtung ferner eine Steuerlogik für die Lüfter auf, die im Normalbetrieb die Lüfter mit einer reduzierten Drehzahl bzw. Leistung ansteuert und bei Ausfall wenigstens eines der Lüfter die anderen, intakten Lüfter mit erhöhter Drehzahl bzw. Leistung ansteuert. Die Lüfter werden also mit ausreichender Leistungsreserve ausgelegt. Der Teillastbetrieb der Lüfter im Normalbmodus erhöht deren Lebensdauer. In dem Reversionsbe- triebsmodus können die funktionsfähigen Lüfter bis zu ihrer Leistungsgrenze betrieben werden, so dass das Gesamtsystem ohne Einschränkungen mit ausreichender Wärmeableitung arbeiten kann. Selbst beim Ausfallen mehrerer Lüfter kann das Gesamtsystem mit einer gewissen Leistungsminderung weiter betrieben werden .
Bei Anwendungen im Außenbereich, wie beispielsweise bei Wechselrichtern für Photovoltaik- , Windkraftanlagen oder dergleichen, für die sich die vorliegende Erfindung besonders eignet, kann die Steuereinrichtung um eine weitere Funktiona¬ lität eines Reinigungsmodus erweitert werden. Bei diesen An¬ wendungen sind die Lufteinlässe für die Kühlung dieser Anlagen zum Schutz vor groben Verunreinigungen meist mit Gittern oder
Sieben versehen. Diese können sich mit Laub, Plastikfolien, Papier, etc. zusetzten. Diesbezüglich kann die erfindungsgemäße Steuereinrichtung eingerichtet sein, um in periodischen Reinigungsmodi einzelne Lüfter gezielt auszuschalten, damit der in dem zugehörigen Einlasskanal reversierte Luftstrom das Gitter oder Sieb an dem Einlass durchblasen und somit von Verunreinigungen befreien kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Wechselrichter mit einer Wechselrichteranordnung zur Umwandlung von Gleichspannung, insbesondere Solargeneratorspannung, in Wechselspannung, insbesondere Netzspannung eines Versorgungsnetzes geschaffen. Der Wechselrichter weist eine erfindungsgemäße Kühlanordnung auf, wie sie vorstehend beschrieben ist. Die Kühlanordnung und die Wechselrichteranordnung sind in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht, wobei die Leistungsbauteile des Wechselrichters auf den Kühlkörpern der Kühlanordnung montiert sind. Die Kühlanordnung ist vorzugsweise zur Führung der Luft von einer Seite zur anderen Seite des Gehäuses quer durch den Innenraum, also zur horizontalen Kühlung eingerichtet. Somit kann der Wechselrichter sowohl in einer freistehenden als auch an seiner Rückseite montierten Anordnung betrieben werden. Bedarfsweise kann die Kühlanordnung auch zur vertikalen Kühlung oder für eine andere Kühlrichtung eingerichtet sein.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Kühlen Wärme erzeugender Bauteile, insbesondere Leistungselektronikbauteile, geschaffen. Demnach wird ein Vo¬ lumenkörper mit einem Gehäuse bereitgestellt, das eine Druck¬ kammer, wenigstens zwei Einlasskanäle, die jeweils von einer Einlassöffnung zu der Druckkammer führen, und wenigstens einen Auslasskanal definiert, der von der Druckkammer zu einer Aus¬ lassöffnung führt. Ferner werden elektrisch antreibbare Lüfter in jedem der Einlasskanäle angeordnet, während ein Kühlkörper, der die zu kühlenden Bauteile trägt, angrenzend an den Ein¬ lasskanal am Eintritt zu der Druckkammer angeordnet wird.
Im Normalbetrieb werden die Lüfter bevorzugt in gesteuer¬ ter oder geregelter Weise betrieben, um Luft durch die Einlassöffnungen einzusaugen und durch die Einlasskanäle hindurch, vorbei an den Kühlkörpern in die Druckkammer zu drucken und die Luft durch den wenigstens einen Auslasskanal austreten zu lassen. Der oder die Auslasskanäle weisen vorzugsweise e- benfalls Kühlkörper mit zu kühlenden Bauteilen auf.
Gemäß dem erfindungsgemäß Verfahren wird in dem Fall, dass ein Lüfterausfall eintritt, ein Anteil der in die Druckkammer einströmenden Luft durch den Kühlkörper und in den Einlasskanal hinein, die dem ausgefallenen Lüfter zugeordnet sind, abgeleitet, so dass die Luft in umgekehrter Richtung durch den Einlasskanal strömt und durch die zugehörige Einlassöffnung austritt. Dies wird automatisch, alleine durch die Ausgestal¬ tung und strömungsmäßige Auslegung der erfindungsgemäßen Kühlanordnung erzielt, ohne dass eine Steuerung oder Person eingreift, irgendwelche Luftklappen oder Verschlusseinrichtungen betätigt werden oder irgendein Lüfter in umkehrter Drehrichtung betrieben wird.
Die vorstehenden Ausführungen hinsichtlich der Merkmale, Weiterbildungen und Vorteile der erfindungsgemäßen Kühlanordnung gelten sinngemäß auch für den erfindungsgemäßen Wechselrichter und das erfindungsgemäße Kühlverfahren entsprechend.
Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung und den Unteransprüchen. In der Zeichnung sind lediglich zu Veran- schaulichungszwecken Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht, die diese in keiner Weise beschränken sollen. Es zeigen :
Figur 1 eine Perspektivansicht eines Wechselrichters gemäß der vorherigen Erfindung mit einem geschlossenen Gehäu-
se ;
Figur 2 den Wechselrichter nach Figur 1 bei geöffnetem Gehäuse in einer Perspektivansicht im leicht vergrößerten Ma߬ stab und mit anderer Blickrichtung von der Seite;
Figuren 3a-3c Draufsichten auf eine erfindungsgemäße Kühlanordnung, die in dem Wechselrichter nach Figur 1 und 2 eingesetzt werden kann, in einer vereinfachten Darstellung unter Veranschaulichung unterschiedlicher Betriebsmodi im
Normalbetrieb, bei einem ausgefallenen Lüfter bzw. bei zwei ausgefallenen Lüftern;
Figuren 4a und 4b eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung mit einer minimalen Konfiguration der Einlasskanäle in Draufsicht, in einer stark vereinfachten Darstellung, unter Veranschaulichung des Normal- und des Reversionsbetriebs;
Fig. 5a und 5b eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung in Draufsicht, in einer stark vereinfachten Darstellung unter Veranschaulichung des Normal- und des Reversionsbetriebs;
Fig. 6A und 6B eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung in Draufsicht, in stark vereinfachter Darstellung unter Veranschaulichung des Normal- und des Reversionsbetriebs;
Fig. 7 ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Kühlen von Wärme erzeugenden Bauteilen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
Fig. 1 veranschaulicht in einer vereinfachten Perspektive einen erfindungsgemäßen Wechselrichter 1, der beispielsweise für eine photovoltaische Solaranlage zur Erzeugung von Wech¬ selspannung aus einer Gleichspannung vorgesehen sein kann. Der Wechselrichter 1 ist für den Einsatz im Außenbereich bestimmt und wird in bekannter Weise mit einem hier nicht näher darge¬ stellten Solargenerator einerseits und andererseits mit An¬ schlüssen z.B. eines öffentlichen Versorgungsnetzes (nicht veranschaulicht) verbunden.
Der Wechselrichter 1 ist nach Art eines Schaltschranks mit einem Gehäuse 2 ausgebildet, das nach außen im Wesentli¬ chen abgeschlossen ist und einen Innenraum 3 (Fig. 2) definiert. In Fig. 1 ist das Gehäuse 2 geschlossen und weist eine Oberseite 4, eine Unterseite 6, die auch als Standfläche dient, eine Vorderseite 7, eine Rückseite 8 und zwei schmale Seitenflächen 9, 11 auf. Auf der schmalen Seite 9 ist eine Ab¬ deckung 12 montiert, die Einlassöffnungen 13a, 13b und 13c in Form einer gitterartigen Anordnung von Schlitzen trägt, die zu einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung 14 gehören, wie sie nachstehend näher beschrieben ist. Die Abdeckung 12 weist hier eine im Querschnitt trapezförmige Form mit unterschiedlich ausgerichteten Flächenbereichen auf, auf denen die einzelnen Einlassöffnungen 13a-c vorgesehen sind, die somit jeweils in unterschiedliche Richtungen zeigen.
Die erfindungsgemäße Kühlanordnung 14 ist in größeren Einzelheiten aus Fig. 2 ersichtlich, die den Wechselrichter 1 in einer vereinfachten Darstellung bei abgenommener Vorderwand 7 des Gehäuses 2 zeigt. Ferner sind auch einige Komponenten des Wechselrichters 1, die sich unmittelbar hinter der Vorderwand 7 befinden, entfernt. Diese Komponenten, wie beispiels¬ weise Stromversorgungskomponenten, zusätzliche Wärmetauscher oder dergleichen, sind an sich für die vorliegende Erfindung ohne größere Bedeutung, werden aber auch durch die erfindungsgemäße Kühlanordnung 14 gekühlt.
Die Kühlanordnung 14 ist, wie veranschaulicht, in dem mittleren Bereich zwischen den beiden Schaltschrankteilen, die sich unmittelbar an die Vorderseite 7 bzw. die Rückseite 8, anschließen, angeordnet und zur Luftführung in Querrichtung durch den Innenraum 3 von der Seite 9 zu der Seite 11 eingerichtet. Hierzu weist die Kühlanordnung 14 hier drei Einlass¬ kanäle 16a, 16b, 16c, eine Druckkammer 17 und drei Auslasska¬ näle 18a, 18b, 18c auf. Die Anzahl der Einlass- und Auslasska¬ näle ist hier lediglich beispielhaft. Zur Ermöglichung eines redundanten Betriebs sind aber wenigstens zwei Einlasskanäle erforderlich und ein einziger Auslasskanal ausreichend.
Jeder Einlasskanal erstreckt sich ausgehend von der je¬ weiligen Einlassöffnung 13a-c (von denen in Fig. 2 lediglich die Einlassöffnung 13c dargestellt ist) in horizontaler Richtung bis zu der Druckkammer 17, die im Wesentlichen in dem zentralen Bereich zwischen den Seiten 9 und 11 angeordnet ist. Genauer gesagt, erstreckt sich jeder Einlasskanal 16a-c bis zu einer Kühlkörperanordnung 19 die am Ausgang der Einlasskanäle 13a-c, am Übergang zu der Druckkammer 17 angeordnet ist. Die Einlasskanäle 16a-c sind in der vertikalen Anordnung nach Fig. 2 unmittelbar übereinander, einer neben dem anderen angeordnet und durch Trennwände 21a, 21b lufttechnisch gegeneinander isoliert, so dass sich die Luftströme in den Einlasskanälen nicht miteinander vermischen können, bevor sie in die Druckkammer gelangen. Die Trennwände 21a, 21b erstrecken sich von der Abdeckung 12 bis zu der Kühlkörperanordnung 19.
Wie ferner aus Fig. 2 hervorgeht, ist in jedem Einlasska¬ nal 16a, 16b, 16c ein Lüfter 22a, 22b bzw. 22c angeordnet. Die Lüfter 22a-c sind hier als Axiallüfter ausgestaltet, die an einer gemeinsamen Montageplatte 23 (Fig. 3a) übereinander derart montiert sind, dass sie sich im Wesentlichen in der Mitte eines jeden Einlasses 16a-c befinden und ihre Drehachsen in Längsrichtung der Einlasskanäle 16a-c orientiert sind. Die
Montageplatte 23 ist quer zu der Längsrichtung der Einlasska¬ näle 16a-c ausgerichtet und verschließt diese, so dass die ge¬ samte Einlassluft durch die Lüfter 22a-c strömt. Es werden e- lektrisch angetriebene, in der Drehzahl oder Leistung steuerbare Lüfter, vorzugsweise mit elektronischer Kommutierung, wie sie in der Technik weit verbreitet sind, bevorzugt.
Die Kühlkörperanordnung 19 ist hier als ein länglicher Block dargestellt, der sich im Wesentlichen quer zu den Einlasskanälen 16a-c erstreckt. Der Block 19 ist hier aus zwei miteinander verbundenen Teilen zusammengesetzt, wobei jedoch auch ein einstückiger oder mehrstückiger Kühlkörper mit beispielsweise drei gesonderten Teilen vorgesehen sein könnte. Zur Erleichterung der Bezugnahme wird ein einem jeden Einlasskanal 16a, 16b bzw. 16c zugeordnetes Kühlkörpersegment mit 19a, 19b bzw. 19c bezeichnet (vgl. Fig. 3a) und einfach Kühl¬ körper genannt.
Die Kühlkörper haben die Aufgabe, Verlustwärme durch Wär¬ meleitung von Wärme erzeugenden Bauteilen wegzuleiten und diese dann durch Wärmestrahlung und Konvektion an die Umgebung abzugeben. Es sind hierzu vielfältige geeignete Kühlkörper aus der Technik allgemein bekannt. Im vorliegenden Fall ist der Kühlkörper 19 durch einen gerippten Block, beispielsweise aus Aluminium oder einem anderen gut wärmeleitfähigen Metall, gebildet, der eine ebene Oberfläche 24 und eine Reihe von zuein¬ ander parallelen Rippen 26 aufweist. Die ebene Oberfläche 24 ist zur Montage von Bauelementen geeignet und bestimmt. Die Rippen 26, die der Erhöhung der Oberfläche dienen, ragen von der der Oberfläche 24 abgewandten Seite des Grundkörpers 19 vor. Der relativ geringe Abstand zwischen den Rippen 26 definiert einen Grundkörperkanal 27, der in Längsrichtung der Rippen 26 verläuft. Die den einzelnen Kühlkörpersegmenten 19a, 19b, 19c zugeordneten Kühlkörperkanäle 27a, 27b bzw. 27c verbinden den jeweiligen Einlasskanal 16a, 16b bzw. 16c mit der Druckkammer 17.
Auf der gegenüberliegenden Seite der Druckkammer 17 in Bezug auf die Kühlkörperanordnung 19 ist eine Anordnung von Auslasskühlkörpern 28a, 28b, 28c vorgesehen, die im Wesentlichen die Auslasskanäle 18a, 18b, 18c bilden, die die Druckkam¬ mer 17 mit einem gemeinsamen Auslass 29 verbinden. Der Auslass 29 ist als eine längliche geschlitzte Auslassöffnung an der schmalen Seite 11 vorgesehen. Die Auslasskühlkörper 28a-c sind den Einlasskühlkörpern 19a-c im Wesentlichen ähnlich, beispielsweise ebenfalls als gerippte Profilblöcke, ausgebildet, wobei sie jedoch für höhere Leistungen ausgelegt sind. Bei¬ spielsweise weisen sie einen geringeren Rippenabstand im Ver¬ gleich zu der Einlasskühlkörpern 19a-c und somit einen erhöhten Strömungswiderstand bzw. Druckverlust im Betrieb auf.
Die Druckkammer 17 ist allen Einlass- und Auslasskanälen 16, 18 gemeinsam und hier zentral in einem allgemein mit 31 bezeichneten Volumenkörper 31 angeordnet, der abgesehen von den Einlass- und Auslasskanälen 16, 18 nach außen im Wesentlichen abgeschlossen ist. Der Volumenkörper 31 ist hier im Wesentlichen durch einzelne Abschnitte des Gehäuses 2, eine Zwi¬ schenwand 32, die Trennwände 21a, 21b, entsprechende, hier nicht näher bezeichnete Trennwände an der Auslassseite und weitere Komponenten des Wechselrichters 1 gebildet und defi¬ niert die erfindungsgemäße Kühlanordnung 14.
Die Kühlanordnung 14 dient zum Kühlen Wärme erzeugender Leistungselektronikbauteile des Wechselrichter 1. Bezug neh¬ mend auf die Figuren 3a-3c ist ersichtlich, dass die Leis¬ tungselektronikbauteile 33, 34 des Wechselrichters, die hochfrequent geschaltete und somit warmlaufende Schalter auf¬ weisen, auf der glatten Oberfläche 24 der Einlass- und Aus¬ lasskühlkörper 19, 28, beispielsweise mit einem wärmeleitendem Kleber angebracht sind. Figuren 3a-3c zeigen eine vereinfachte Draufsicht auf die erfindungsgemäße Kühlanordnung 14 als sol¬ che ohne die sonstigen Komponenten des Wechselrichters 1. Die
Funktionsweise der erfindungsgemäßen Kühlanordnung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 3a-3c erläutert, in de¬ nen unterschiedliche Modi dargestellt sind, die sich während des Betriebs einstellen können.
Im Normalbetrieb, wie er in Fig. 3a dargestellt ist, wird Luft von den Lüftern 22a-c durch die jeweiligen Einlassöffnungen 13a, 13b bzw. 13c in die einzelnen Einlasskanäle 16a, 16b und 16c angesaugt, durch diese hindurch zu den Kühlkörperseg¬ menten 19a, 19b, 19c befördert und durch die einzelnen Kühl¬ körperkanäle 27a, 27b, 27c in die gemeinsame Druckkammer 17 gedrückt. Die Luft strömt anschließend durch die Kanäle der Auslasskühlkörper 28a, 28b, 28c hindurch und tritt durch die Auslassöffnung 29 in die Umgebung hinaus. Beim Durchströmen der Kühlkörper 19a-c, 28a-c fördert die Luft die Ableitung von Wärme von den darauf montierten Bauteilen 33, 34. Die den einzelnen Kanälen zugeordneten Lüftströme sind in Figur 3a anhand von Pfeilen 36a, 36b, 36c bzw. 37a, 37b, 37c auf der Einlass¬ bzw. Auslassseite angezeigt.
Es wird nun angenommen, dass einer der Lüfter im Betrieb ausfällt. In Figur 3b ist ein Betriebszustand dargestellt, der sich einstellt, wenn z.B. der in den Figuren untere Lüfter 22c ausfällt. In diesem Fall führen die anderen Lüfter 22a, 22b weiterhin Luft der gemeinsamen Druckkammer 17 zu, wobei nur ein Anteil dieser Luft dann durch die Auslasskanäle 18a-c aus¬ tritt. Ein weiterer Anteil der Luft zweigt jedoch ab und strömt durch den Kühlkörperkanal 27c hindurch in den Einlass¬ kanal 16c hinein und weiter durch diesen sowie durch den ausgefallenen Lüfter 22c hindurch, bevor er durch die Einlassöffnung 13c in die Umgebung austritt. Dieser Luftanteil strömt also im Vergleich zum Normalbetrieb in entgegengesetzter Richtung durch den Einlasskanal 13c, wie dies durch den Pfeil 36c veranschaulicht ist. Vorteilhafterweise können alle Kühlkör¬ per, einschließlich des Kühlkörpersegmentes 19c zur Kühlung der Bauteile mit Luft durchströmt werden, selbst wenn der Lüf-
ter 22c ausfällt.
Ähnliche Verhältnisse ergeben sich auch, wenn einer der andern Lüfter, entweder 22a oder 22b, ausfällt, wobei dann der Luftstrom in dem Kühlkörpersegment 19a bzw. 19b und dem zuge¬ hörigen Einlasskanal 16a bzw. 16b reversiert wird, d.h. seine Strömungsrichtung umkehrt.
Vorteilhafterweise wird die Strömungsrichtungsumkehr au¬ tomatisch, allein durch die strömungstechnische Ausgestaltung und Auslegung des Volumenkörpers 31, einschließlich der Ein- und Auslasskanäle 16a-c, 18a-c, der Druckkammer 17, der Kühl¬ körper 19a-c, 28a-c, der Trennwände 21a, 21b und anderer den Volumenkörper 31 definierender Gehäuseteile erzielt. Insbesondere führt der erhöhte Strömungswiderstand der Auslasskühlkör¬ per 28a-c im Vergleich zu den Einlasskühlkörpern 19a-c zu einem Überdruckaufbau in der Druckkammer 17, der dann die Luft in umgekehrter Richtung durch den dem ausgefallenen Lüfter, beispielsweise 22c, zugeordneten Einlasskanal, beispielsweise 16c, treibt. Die vorteilhafte Trennung der Einlasskanäle von¬ einander durch die Trennwände 21a, b verhindert, dass ein lufttechnischer Kurzschluss in dem Sinne entstehen kann, dass durch einen Einlasskanal beförderte Luft unmittelbar in den Einlasskanal eines ausgefallenen Lüfters übertritt, ohne die Kühlkörper 19a-c zu durchströmen. Vielmehr stellt die erfindungsgemäße Anordnung sicher, dass die Luft stets alle Kühl¬ körpersegmente 19a-c durchströmt.
In Figur 3c ist ferner ein Zustand dargestellt, bei dem lediglich der obere Lüfter 22a noch funktionsfähig ist, während die anderen Lüfter 22b und 22c ausgefallen sind. In diesem Fall sorgt der funktionsfähige Lüfter 22a alleine für die Luftversorgung, wobei der durch den Einlasskanal 13a in die Druckkammer 17 einströmende Luftstrom sich dann auf die Auslasskanäle 18a-c und die Einlasskanäle 16b, 16c der ausgefal¬ lenen Lüfter 22b, 22c aufteilt, wobei die Letzteren im Ver-
gleich zum Normalbetrieb in umgekehrter Richtung durchströmt werden. Dieser Zustand mit umkehrter Strömungsrichtung durch einen Einlasskanal soll hier aus als Reversionsbetrieb be¬ zeichnet werden.
Vorteilhafterweise sind, wie aus Figur 1 ersichtlich, die Einlassöffnungen 13a-c in unterschiedliche Richtungen ausge¬ richtet, so dass im Reversionsbetrieb aus wenigstens einer dieser Öffnungen austretende warme Luft nicht unmittelbar durch eine andere Einlassöffnung wieder angesaugt wird.
Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Modifikationen möglich. Beispielsweise können unterschiedliche Bauarten von Kühlkörpern mit unterschiedlicher Ausgestaltung der Kühlkörperkanäle und aus unterschiedlichen Materialen verwendet werden. Die Form des Volumenkörpers 31 und der Druckkammer 17 können je nach Anforderung variiert werden. Obwohl die Kühlanordnung 14 gemäß den Figuren 1 bis 3 in Bezug auf eine horizontale Kühlung der Bauteile veranschaulicht ist, kann die Kühlanordnung auch zur vertikalen Kühlung oder zur Kühlung in jeder beliebigen Richtung angepasst werden. Gegebenenfalls können zusätzlich Leit- und Umlenkelemente vorgesehen werden.
Weitere Modifikationen der Erfindung sind in den Figuren 4 bis 6 dargestellt. Soweit Übereinstimmung in Bau und/oder Funktion besteht, wird unter Verwendung gleicher Bezugszeichen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen. Dabei können einzelne Details zum Teil auch weggelassen sein.
In den Figuren 4a und 4b ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die eine minimale Konfiguration mit le¬ diglich zwei Einlasskanälen 16a, 16b aufweist. Wenngleich zwei Auslasskanäle 18a, 18b dargestellt sind, würde prinzipiell auch ein einzelner Auslasskanal genügen. Wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird im Normalbetrieb Luft von den Lüftern 22a, 22b durch die Einlassöffnungen 13a, 13b
angesaugt, durch die Einlasskanäle 16a, 16b und die Kühlkör¬ perkanäle 27a, 27b in die Druckkammer 17 befördert, und sie strömt anschließend durch die Auslasskühlkörper 28a, 28b und die Auslassöffnung 29 nach außen. Beim Ausfall eines der Lüfter, z. B. des Lüfters 22b, wird ein Anteil der Luft in der Druckkammer abgezweigt und in umgekehrter Richtung durch den Einlasskanal 16b befördert, bevor er durch die Einlassöffnung 13b in die Umgebung austritt. Vorteilhafterweise sind hier die Einlassöffnungen 13a, 13b auf unterschiedlichen Seiten des Volumenkörpers 31 angeordnet, so dass eine störende Wechselwir¬ kung im Sinne eines Wiederansaugens bereits erwärmter Luft weitgehend vermieden werden kann.
Figuren 5a und 5b zeigen eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlanordnung 14 mit einer modifizierten Ausgestaltung des Volumenkörpers 31, der hier eine sternartige Konfiguration aufweist. Es sind zwei Einlasskanäle 16a, 16b und ein Auslasskanal 18 vorgesehen, die von unterschiedlichen Seiten in eine Druckkammer 17 einmünden. Die Druckkammer 17 weist hier in dem Querschnitt gemäß den Figuren 5a und 5b eine an ein gleichschenkliges Dreieck angenäherte Gestalt auf, wo¬ bei jede Seite des Dreiecks einem der Einlass- bzw. Auslasska¬ näle 16a, 16b, 18 zugeordnet ist. Die Einlasskanäle 13a, 13b sind wiederum durch die Kanalwände, die die Trenneinrichtung 21 bilden, voneinander getrennt, so dass kein lufttechnischer Kurzschluss entstehen kann. Im Übrigen funktioniert diese Aus¬ führungsform wie die vorstehenden Ausführungsformen, wobei durch die spezielle gegenüberliegende Anordnung der Kanäle 16a, 16b den Reversionsbetrieb zusätzlich unterstützt.
Figuren 6a und 6b zeigen eine Modifikation der Ausführungsform gemäß den Figuren 4a und 4b, bei der die Kühlkörper 28a, 28b am Auslass der Kühlanordnung 14 entfernt sind. Statt¬ dessen ist hier in der Druckkammer 17 eine Anordnung aus Umlenkwänden 38a, 38b und 38c vorgesehen, die die Luft in der Druckkammer 17 umströmen muss, um zu dem Auslass 29 zu gelan-
gen. Die Umlenkwände 38a-c bewirken im Fall eines Ausfalls ei¬ nes der Lüfter, z.B. des Lüfters 22b, dass der sich auf der den Einlasskanälen 16a, 16b zugewandeten Seite der Umlenkwände 38a-c aufbauende Staudruck einen Anteil der Luft in umgekehrter Richtung durch den Einlasskanal 16b treibt. Die Umlenkwände 38a-c oder sonstige Umlenkeinrichtungen können auch gemeinsam mit einem oder mehreren Auslasskühlkörpern 28 eingesetzt werden .
Indem erneut auf Figur 2 Bezug genommen wird, ist dort ferner eine Steuereinrichtung 39 zur Steuerung des Lüfterbetriebs veranschaulicht. Diese ist vorzugsweise vorgesehen, wenn sich die Lüfter hinsichtlich ihrer Drehzahl bzw. Leistung steuern bzw. regeln lassen. Die Steuereinrichtung 39 erfasst vorzugsweise mittels einer hier nicht näher dargestellten Sensoreinrichtung die Temperatur innerhalb des Volumenkörpers 31 und stellt beispielsweise die Drehzahl entsprechend der benö¬ tigten Kühlleistung ein. Die Steuereinrichtung 39 ist vorzugsweise in der Lage, über hier nicht näher dargestellte Schalt¬ elemente einzelne Lüfter 22a-c abzuschalten. Somit kann eine fehlerhafter, zu langsam laufender Lüfter gezielt abgeschaltet und durch den sich anschließend einstellenden Reversionsbe¬ trieb eine bessere Kühlung der Bauteile erzielt werden.
Die Steuereinrichtung 39 kann ferner eine Steuerlogik aufweisen, die im Normalbetrieb die Lüfter mit reduzierter Leistung bzw. Drehzahl arbeiten lässt, wodurch diese auch geschont werden. Beim Ausfall eines oder mehrerer der Lüfter veranlasst die Logik dann, dass die restlichen funktionsfähigen Lüfter mit höherer Leistung bis zur maximalen Leistung betrieben werden, um weiterhin eine ausreichende Kühlung des Gesamtsystems sicherzustellen.
Außerdem kann die Steuereinrichtung eine Steuerlogik aufweisen, die gezielt periodisch einen der Lüfter abschaltet, um einen Reversionsbetrieb zu bewirken, um Verschmutzungen, die
sich an den Einlassöffnungen 13a-c festsetzen können, wegzublasen. Dies ist z.B. bei Wechselrichtern für Photovoltaikan- lagen, die im Außenbereich eingesetzt werden, von Vorteil.
In Fig. 7 ist ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Kühlen Wärme erzeugender Bauteile, insbesondere Leistungselektronikbauteile, dargestellt. In Schritt 41 wird ein Volumenkörper mit einem Gehäuse bereitgestellt, das eine Druckkammer, eine Anzahl von Einlasskanälen, die jeweils von einer Einlassöffnung zu der Druckkammer führen, und eine Anzahl von Auslasskanälen definiert, die jeweils von der Druckkammer zu einer Auslassöffnung führen. Der Volumenkörper und dessen Komponenten können eine beliebige Ausgestaltung, insbesondere eine der vorteilhaften Ausgestaltungen gemäß den Fig. 1 bis 6, haben.
In Schritt 42 wird in jedem der gegeneinander strömungsmäßig isolierten Einlasskanäle ein elektrisch antreibbarer Lüfter angeordnet. Außerdem wird jedem Einlasskanal ein Kühl¬ körper zugeordnet, der zu kühlende Bauteile trägt und vorzugs¬ weise angrenzend an den Einlasskanal am Eintritt zu der Druck¬ kammer angeordnet wird. Vorzugsweise sind die Lüfter, wie oben dargestellt, Axiallüfter und die Kühlkörper Hochleistungskühler mit einem äußerst geringen Rippenabstand und damit einer großen Oberfläche pro Volumen.
In Schritt 43 wird der normale Betriebsmodus ausgeführt, bei dem die Lüfter betrieben werden, um Luft durch die Einlassöffnungen anzusaugen und durch die wenigstens zwei Einlasskanäle und Einlasskühlkörperkanäle hindurch in die Druck¬ kammer zu drücken, wobei die Luft dann durch den wenigstens einen Auslasskanal nach außen austritt. Dabei werden die an den Kühlkörpern montierten Bauteile effizient gekühlt.
In 44 wird unterschieden, ob ein Lüfterausfall eintritt oder nicht. Falls kein Lüfterausfall eintritt, geht das Ver-
fahren zum Schritt 43 zurück und fährt mit dem normalen Betriebsmodus fort. Falls ein Lüfterausfall eintritt, geht das Verfahren in den Reversionsbetriebsmodus gemäß Schritt 46 ü- ber. Prinzipiell könnte ein Lüfterausfall auch positiv über¬ wacht werden, indem beispielsweise die Drehzahl der Lüfter er- fasst wird, um dies z.B. an eine zuständige Person oder Stelle zu melden. Für den Effekt der Erfindung ist dies jedoch nicht erforderlich, weil sich der Reversionsbetrieb von sich aus, automatisch einstellt.
In dem Reversionsbetrieb gemäß Schritt 46 wird ein Anteil der in die Druckkammer einströmenden Luft durch den Kühlkörperkanal und in den Einlasskanal hinein gedrückt, die dem aus¬ gefallenen Lüfter zugeordnet sind. Die Luft strömt dann in im Vergleich zum Normalbetrieb umgekehrter Richtung durch den Einlasskanal hindurch und tritt durch die zugehörige Einlass¬ öffnung nach außen aus. Vorteilhafterweise werden auch Bautei¬ le an dem dem ausgefallenen Lüfter zugeordneten Kühlkörper gekühlt. Im Übrigen entspricht das Verfahren der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Kühlanordnung, so dass ergänzend auf die vorstehend im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 6 gemachten Ausführungen verwiesen wird, die hier entsprechend auch für das erfindungsgemäße Verfahren gelten.
Es sind eine lüfterredundante Anordnung und ein lüfterre¬ dundantes Verfahren zum Kühlen von Leistungselektronikbautei¬ len geschaffen. Die Kühlanordnung 14 weist einen Volumenkörper 31 auf, der eine Druckkammer 17, wenigstens zwei Einlasskanäle 16a-c, die jeweils von einer Einlassöffnung 13a-c zu der
Druckkammer 17 führen, und wenigstens einen Auslasskanal 18a-c auf, der von der Druckkammer zu einer Auslassöffnung 29 führt. Jedem der Einlasskanäle 16a-c ist ein Lüfter 22a-c, der einge¬ richtet ist, um Luft durch den Einlasskanal anzusaugen und zu der Druckkammer zu treiben, und ein Kühlkörper 19a-c zugeordnet, der ein Leistungselektronikbauteil trägt und einen ober¬ flächenreichen Kühlkörperkanal 27a-c für durchströmende Luft
bildet, der den Einlasskanal mit der Druckkammer strömungsmä¬ ßig verbindet. Im Normalbetrieb kühlt Luft, die die Kühlkörper 19a-c durchströmt, die darauf montierten Bauteile und wird an¬ schließend aus der gemeinsamen Druckkammer 17 über den wenigstens einen Auslasskanal 18a-c nach außen ausgegeben.
Erfindungsgemäß sind ferner Mittel 21a, 21b; 28a-c vorge¬ sehen, die eingerichtet sind, um beim Ausfall wenigstens eines der Lüfter 22a-c im Betrieb eine Umkehrung der Luftströmung durch den dem ausgefallenen Lüfter zugeordneten Einlasskanal 16a-c zu bewirken, so dass die Luft in umgehrter Richtung durch diesen Einlasskanal strömt und durch die zugehörige Ein¬ lassöffnung 13a-c nach außen austritt. Dadurch werden auch bei einem Lüfterausfall Bauteile, die an dem zugehörigen Kühlkörper montiert sind, durch die in umgekehrter Richtung durchströmende Luft gekühlt.
Claims
1. Kühlanordnung (14) zum Kühlen Wärme erzeugender Bauteile, insbesondere Leistungselektronikbauteile, mit einem Volumenkörper (31), der eine Druckkammer (17) definiert ; mit wenigstens zwei Einlasskanälen (16a, 16b, 16c), die jeweils von einer Einlassöffnung (13a, 13b, 13c) zu der Druckkammer (17) führen; mit einem jedem dieser Einlasskanäle (16a, 16b, 16c) zu¬ geordneten Lüfter (22a, 22b, 22c) , der eingerichtet ist, um Luft durch die Einlassöffnung (13a, 13b, 13c) anzusaugen und durch den Einlasskanal (16a, 16b, 16c) hindurch in die Druck¬ kammer (17) zu treiben; mit einem jedem dieser Einlasskanäle (16a, 16b, 16c) zu¬ geordneten Kühlkörper (19a, 19b, 19c), der einen Kühlkörperkanal (22a, 22b, 22c) für eine durchströmende Luft bildet, der den Einlasskanal (16a, 16b, 16c) mit der Druckkammer (17) strömungsmäßig verbindet; mit wenigstens einem Auslasskanal (18a, 18b, 18c), der von der Druckkammer (17) zu einer Auslassöffnung (29) führt, um im Betrieb von den Lüftern (22a, 22b, 22c) durch die Einlasskanäle (16a, 16b, 16c) und die Kühlkörperkanäle (27a, 27b, 27c) in die Druckkammer (17) getriebene Luft durch die Aus¬ lassöffnung (29) austreten zu lassen; und mit Mitteln (21a, 21b; 28a, 28b, 28c) , die eingerichtet sind, um im Betrieb beim Ausfall wenigstens eines der Lüfter (22a, 22b, 22c) eine Umkehrung der Luftströmungsrichtung durch den dem ausgefallenen Lüfter zugeordneten Einlasskanal (16a, 16b, 16c) zu bewirken.
2. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenkörper (31) ein Gehäuse (2, 12) aufweist, an dem die Einlassöffnungen (13a, 13b, 13c) ausgebildet sind, und dass unterschiedlichen Einlasskanälen zugeordnete Einlassöffnungen in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sind.
3. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei Einlasskanäle (16a, 16b, 16c) vorge¬ sehen sind, die jeweils einen Lüfter und einen Kühlkörper aufweisen .
4. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lüfter (22a, 22b, 22c) Axiallüfter sind, die in dem jeweiligen Einlasskanal (16a, 16b, 16c) derart angeordnet sind, dass ihre Drehachse im Wesentlichen in Längsrichtung des jeweiligen Einlasskanals verläuft.
5. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lüfter (22a, 22b, 22c) elektrisch angetrieben und vorzugsweise in Bezug auf ihre Drehzahl oder Leistung steuerbar sind.
6. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkörper (19a, 19b, 19c) Profilkörper sind, die jeweils wenigstens eine ebene Oberfläche (24) zur Montage von Bauteilen und eine Oberfläche mit Kühlrippen (26) aufwei¬ sen, die den Kühlkörperkanal (27a, 27b, 27c) wenigstens teil¬ weise begrenzt.
7. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (19a, 19b, 19c) am Übergang von einem Einlasskanal (16a, 16b, 16c) zu der Druckkammer (17) angeord¬ net ist.
8. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Strömungsrichtungsumkehr durch eine einen Überdruckaufbau der Druckkammer (17) fördernde Gestal¬ tung und Auslegung des Volumenkörpers (31), der Einlass- und Auslasskanäle (13, 16), der Druckkammer (17) und/oder der Lüfter (22a, 22b, 22c) gebildet sind.
9. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Strömungsrichtungsumkehr wenigstens einen einem jeweiligen Auslasskanal (18a, 18b, 18c) zugeordne¬ ten Auslasskühlkörper (28a, 28b, 28c) aufweisen, der vorzugsweise zwischen der Druckkammer (17) und dem Auslasskanal angeordnet ist.
10. Kühlanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Auslasskühlkörper (28a, 28b, 28c) einen größeren Strömungswiderstand aufweist als die den Einlasskanälen (16a, 16b, 16c) zugeordneten Kühlkörper (19a, 19b, 19c) .
11. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trenneinrichtung (21a, 21b) vorgesehen ist, die die Einlasskanäle (16a, 16b, 16c) voneinander trennt.
12. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Druckkammer (17) eine Umlenkeinrichtung (38a, 38b, 38c) angeordnet ist, um in der Druckkammer strömende Luft umzulenken .
13. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (39) zur Steuerung der Lüfter (22a, 22b, 22c) vorgesehen ist, wobei die Steuereinrichtung in der Lage ist, beim Defekt eines der Lüfter (22a, 22b, 22c) diesen elektrisch abzuschalten.
14. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (39) zur Steuerung der Lüfter (22a, 22b, 22c) vorgesehen ist, wobei die Steuereinrichtung im Normalbetrieb die Lüfter mit einer reduzierten Drehzahl bzw. Leistung ansteuert und bei Ausfall wenigstens eines der Lüfter wenigstens einen intakten Lüfter mit erhöhter Drehzahl bzw. Leistung ansteuert.
15. Wechselrichter (1) mit einer Wechselrichteranordnung (33, 34) zur Umwandlung von Gleichspannung, insbesondere Solargeneratorspannung, in Wechselspannung, insbesondere Netzspannung eines Versorgungsnetzes, mit einer Kühlanordnung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlanord¬ nung und die Wechselrichteranordnung in einem gemeinsamen Gehäuse (2) untergebracht sind und wobei die Kühlanordnung (14) zur Führung der Luft quer durch den Innenraum des Gehäuses (2) von einer Seite (9) zur anderen (11) eingerichtet ist.
16. Verfahren zum Kühlen Wärme erzeugender Bauteile, insbesondere Leistungselektronikbauteile, das aufweist:
Bereitstellen (41) eines Volumenkörpers mit einem Gehäu¬ se, das eine Druckkammer, wenigstens zwei Einlasskanäle, die jeweils von einer Einlassöffnung zu der Druckkammer führen, und wenigstens einen Auslasskanal definiert, der von der
Druckkammer zu einer Auslassöffnung führt;
Anordnen (42) eines elektrisch antreibbaren Lüfters in jedem dieser Einlasskanäle und eines Kühlkörpers, der zu küh¬ lende Bauteile trägt, zwischen dem Einlasskanal und der Druck¬ kammer;
Betreiben (43) der Lüfter, um Luft durch die Einlassöffnungen anzusaugen und durch die wenigstens zwei Einlasskanäle sowie Kühlkörper hindurch in die Druckkammer zu drücken und die Luft durch den Auslasskanal austreten zu lassen; und falls ein Lüfterausfall eintritt, Ableiten (46) eines An¬ teils der in die Druckkammer einströmenden Luft durch den Kühlkörper hindurch und in den Einlasskanal hinein, die dem ausgefallenen Lüfter zugeordnet sind, um die Luft in umgekehrter Richtung durch den Einlasskanal strömen und über die zugehörige Einlassöffnung austreten zu lassen.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 11721550 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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WWE | Wipo information: entry into national phase |
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NENP | Non-entry into the national phase |
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