Umrichterkühlung mittels Heatpipes

Inhalt dieser Master-Thesis ist die Entwicklung eines Kühlsystems auf Basis einer Heatpipe für einen Frequenzumrichter. Eine Heatpipe kann auf drei verschiedene Arten arbeiten, einerseits als ein Thermosyphon, eine Dampfblasenpumpe oder eine Heatpipe mit Docht. Zugeschnitten auf die gestellte Aufgabe wurden verschiedene Konzepte erstellt. Die Thermosyphons sorgen für eine bessere Wärmeverteilung in der Grundplatte des Frequenzumrichters. Mittels Dampfblasenpumpe kann Wärme direkt mittels Kältemittel zu einem Wärmetauscher transportiert werden. Die Heatpipes mit Docht arbeiten lageunabhängig, aber es sind nur relativ kleine Leistungen möglich. Auf Basis einer Vergleichsstudie wurde eine Dampfblasenpumpe mit Kältemittelkanälen direkt in der Grundplatte, verbunden mit einem leichten Lamellenwärmetauscher, ausgewählt. Die Verlustenergie der elektronischen Bauteile kann direkt in der Grundplatte, sehr nahe bei den Bauteilen weggeführt werden.

Das gewählte Konzept wurde grob ausgelegt und mit Simulations-Tools verfeinert. Es wurden mehrere Versionen des Systems aufgebaut und messtechnisch ausgewertet. Die Ergebnisse der Messungen zeigten die limitierenden Parameter des Systems auf. Basierend darauf wurden verschiedene Verbesserungsmöglichkeiten entwickelt und soweit möglich im Versuch umgesetzt. Die letzte Version des Aufbaus schafft die geforderte Bedingung einzuhalten. Die maximale Oberflächentemperatur erreicht bei einer Verlustleistung von 1750 W und einer Umgebungstemperatur von 30°C maximal 98°C. Mit dieser guten Kühlung kann die Lebensdauer der elektronischen Bauteile verlängert werden und das Gewicht des Umrichters massiv verkleinert werden.

Im Abschluss wurden Optimierungsmöglichkeiten diskutiert und ein mögliches Design vorgestellt. Das Kühlsystem mit einer Dampfblasenpumpe kann mit der gleichen Baugrösse des Frequenzumformers erstellt werden. Dabei ist eine Gewichtseinsparung von bis zu 42% möglich. Auch für Details wie die Verbindung zwischen Wärmetauscher und Grundkörper wurden Lösungen entwickelt und dokumentiert.

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Datum 07.07.2017
Studiengang MSE Energy and Environment
Institut IES
Typ Masterarbeit
Studierende Andreas Gschwend
Dozenten Prof. Stefan Bertsch
Partner -