DE102017211561A1

DE102017211561A1 - Flugzeug mit einem Leistungselektronikbauteil

Info

Publication number: DE102017211561A1
Application number: DE102017211561.0A
Authority: DE
Inventors: Pol Ghesquiere; Gerhard Mitic; Herbert Schwarzbauer
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2017-07-06
Filing date: 2017-07-06
Publication date: 2019-01-10
Also published as: US20200207477A1; DE112018003448A5; WO2019008085A1

Abstract

Das Flugzeug weist mindestens ein Leistungselektronikbauteil (210) und einen Kühlkreislauf (230) zur Kühlung des mindestens einen Leistungselektronikbauteils (210) mittels eines Kühlfluids auf, wobei das Flugzeug Temperaturstellmittel (270) aufweist, welche ausgebildet und angeordnet sind, eine Temperatur des Kühlkreislaufs (230) abhängig von einer Temperatur im oder am Flugzeug oder von einer Verlustleistung zu stellen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Flugzeug mit einem Leistungselektronikbauteil.
In Flugzeugen wird regelmäßig Leistungselektronik eingesetzt, insbesondere in Hilfsaggregaten und beim Antrieb. Die Leistungselektronik muss im Betrieb des Flugzeugs gekühlt werden, zweckmäßig mittels Umgebungsluft aus der Umgebung des Flugzeugs.
Allerdings kann die Umgebungsluft des Flugzeugs je nach Einsatzort des Flugzeuges und der maximalen Flughöhe in ihrer Temperatur stark schwanken, etwa von -50°C bei Flughöhe bis zu +60°C bei erhitzter Landebahn. Diese großen Temperaturunterschiede verursachen bei jedem Start und jeder Landung hohe Temperaturwechselbelastungen der zu kühlenden Leistungselektronikbauteile. Insbesondere bei Leistungsmodulen, etwa bei IGBT-Modulen, haben solche Temperaturwechsel zusammen mit den aktiven Lastwechseln hohe thermomechanische Belastungen und schließlich eine mechanische Ermüdung der Aufbau- und Verbindungstechnik im Leistungsmodul zur Folge, gerade im Bereich der Chip- und Bodenplattenlötung. Diese Belastungen sowie die auftretende kondensierende Feuchtigkeit führen zur raschen Alterung der Leistungselektronik eines Flugzeugs und schließlich zu Mängeln der Flugsicherheit eines solchen Flugzeugs.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Flugzeug zu schaffen, welches hinsichtlich solcher auftretender Temperaturwechsel robuster ausgebildet ist als aus dem Stand der Technik bekannt.
Diese Aufgabe wird mit einem Flugzeug mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.
Das erfindungsgemäße Flugzeug weist mindestens ein Leistungselektronikbauteil sowie einen Kühlkreislauf zur Kühlung des mindestens einen Leistungselektronikbauteils mittels eines Kühlfluids auf. Das erfindungsgemäße Flugzeug weist mindestens ein Temperaturstellmittel auf, welches ausgebildet und angeordnet ist, eine Temperatur des Kühlkreislaufs abhängig von einer Temperatur im oder am Flugzeug oder abhängig von einer Verlustleistung zu stellen.
Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Flugzeug die Verlustleistung eine Verlustleistung des Leistungselektronikbauteils.
Zweckmäßig ist das Temperaturstellmittel ausgebildet, die ansonsten, d.h. ohne ein solches Temperaturstellmittel, auftretenden Temperaturschwankungen des Leistungselektronikbauteils zu verringern und möglichst zu minimieren.
Der Grundgedanke der Erfindung ist es, infolge einer Klimatisierung des Kühlkreislaufs auf eine möglichst konstante Temperatur die Temperaturwechselbelastung des Leistungselektronikbauteils durch die Umgebung des Flugzeugs zu reduzieren.
Vorteilhafterweise kann das Leistungselektronikbauteil ansonsten bei Temperaturwechseln alterungsanfällige Chipkontaktierungen wie etwa Bondungen und/oder Sinterungen und/oder Lötungen und/oder planare Technologien und Bodenplattenverbindungen aufweisen, ohne dass eine solche Ausgestaltung des Leistungselektronikbauteils einen frühzeitigen Ausfall des Leistungselektronikbauteils bedingen würde.
Zudem lagert sich bei dem erfindungsgemäßen Flugzeug vorteilhafterweise keine kondensierende Feuchtigkeit in dem Leistungselektronikbauteil ab. Bei herkömmlichen Flugzeugen kann dies je nach atmosphärischen Bedingungen bisweilen geschehen. Erfindungsgemäß kommt es somit nicht zu Entladungen oder Kurzschlüssen des Leistungselektronikbauteils.
Folglich lässt sich erfindungsgemäß ein ansonsten erforderlicher regelmäßiger Austausch des Leistungselektronikbauteils oder seiner Komponenten, insbesondere der Austausch von Leistungsmodulen im Rahmen einer Wartung, vermeiden. Gerade bei vermindertem Luftdruck in Flughöhe typischer Flugzeuge werden die Luft- und Kriechstrecken werden besonders groß.
Zweckmäßig umfasst bei dem erfindungsgemäßen Flugzeug das Temperaturstellmittel eine Heizung, insbesondere ausgebildet zur Heizung des Kühlfluids, und/oder zusätzlich zum Kühlkreislauf eine Kühleinrichtung, insbesondere ausgebildet zur Kühlung des Kühlfluids.
Idealerweise weist der Kühlkreislauf einen Fluidkühlkörper, insbesondere einen Flüssigkeitskühlkörper, auf, wobei die Heizung den Fluidkühlkörper erwärmt. Auf diese Weise lässt sich das zumindest eine Leistungselektronikbauteil besonders einfach auf einer hinreichend hohen Temperatur halten, da der Fluidkühlkörper zweckmäßig an dem Leistungselektronikbauteil zur thermischen Kopplung anliegt oder thermisch leitend mit diesem verbunden ist. Vorzugsweise wird das Kühlfluid geheizt, geeigneterweise vorgeheizt gepumpt. Vorzugsweise ist das Kühlfluid ein Öl oder Wasser-Glykol.
Insbesondere lässt sich bei dem erfindungsgemäßen Flugzeug die Temperatur des Kühlkreislaufs stellen, indem eine zur Kühlung des Kühlfluids herangezogene Außenluft in großer Höhe vorgeheizt wird und/oder ein Strom der zur Kühlung des Kühlfluids herangezogenen Außenluft, insbesondere mittels einer Regelung, gedrosselt wird und/oder der Kühlkreislauf selbst, zweckmäßig mittels einer Regelung, auf konstanter Temperatur gehalten wird. Dadurch wird das zumindest eine Leistungselektronikbauteil nicht auf eine Umgebungstemperatur des Flugzeugs abgekühlt. Beim Stehen am Flughafen in kalten Regionen oder bei kalten Umgebungsbedingungen wird der Kühlkreislauf zweckmäßig dauerhaft mittels eines Temperaturstellmittels, welches eine Heizung umfasst, geheizt. In heißer Umgebung wird geeigneterweise der Kühlkreislauf mittels eines Temperaturstellmittels, welches zusätzlich eine Kühleinrichtung umfasst, gekühlt.
Bei dem Flugzeug gemäß der Erfindung umfasst der Kühlkreislauf vorzugsweise einen Wärmetauscher und einen ersten, Kühlfluid über den Wärmetauscher führenden, Zweig und einen zweiten, Kühlfluid nicht über den Wärmetauscher führenden, Zweig, wobei das Temperaturstellmittel, insbesondere eine Mischbatterie, den Anteil oder das Mischverhältnis des über den ersten und des über den zweiten Zweig geführten Kühlfluids stellt.
Gerade in großen Höhen kann eine Stellung der Temperatur des Kühlkreislaufs mittels Drosselung des Stroms der kühlenden Außenluft und/oder mittels Heizung der kühlenden Außenluft bei tiefen Temperaturen im Flugbetrieb aufwendiger sein. Der Durchfluss im Kühlkreislauf kann daher alternativ oder zusätzlich mittels einer Thermostat-Mischbatterie als Temperaturstellmittel leicht temperaturabhängig geregelt sein. Hier bleibt die Verlustleistung zur Heizung der Fluggastkabine nutzbar.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Flugzeugs ist die Temperatur im oder am Flugzeug eine Temperatur einer zur Kühlung genutzten Umgebungsluft des Flugzeugs und/oder eine Temperatur des mindestens einen Leistungselektronikbauteils und/oder eine Temperatur des Kühlkreislaufs.
Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Flugzeug die Temperatur des Kühlkreislaufs eine Temperatur des Kühlfluids und/oder eine Temperatur eines an den Wärmetauscher geführten Fluids, insbesondere die Temperatur an den Wärmetauscher geführter Außenluft.
Geeigneterweise weist bei dem Flugzeug gemäß der Erfindung das Temperaturstellmittel eine Regelung auf, wobei die Temperatur des Kühlkreislaufs eine Regelgröße und/oder die Temperatur im oder am Flugzeug eine Störgröße bildet.
Das Flugzeug weist in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ein Kerosinreservoir auf, wobei der Kühlkreislauf des Flugzeugs einen Zweig aufweist, der zur Entwärmung des mindestens einen Leistungselektronikbauteils in das Kerosinreservoir ausgebildet ist. Auf diese Weise kann ein Teil der Verlustleistung des Leistungselektronikbauteils in das Kerosin des Kerosinreservoirs entwärmt werden. Insbesondere maximale Verlustleistungen des Leistungselektronikbauteils beim Starten können so im Kerosin zwischengekühlt werden.
Alternativ oder zusätzlich weist das Flugzeug in einer Weiterbildung der Erfindung eine Fluggastkabine auf, wobei der Kühlkreislauf des Flugzeugs einen Zweig aufweist, welcher zur Entwärmung des mindestens einen Leistungselektronikbauteils in die Fluggastkabine ausgebildet ist. Auf diese Weise kann die Verlustleistung zugleich kostensparend zur Heizung der Fluggastkabine genutzt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Flugzeug weist das mindestens eine Leistungselektronikbauteil mindestens einen Umrichter und/oder mindestens ein oder mehrere Leistungsmodul/e auf.
Das erfindungsgemäße Flugzeug weist idealerweise einen Antrieb auf, welcher das Leistungselektronikbauteil umfasst. Geeigneterweise ist das Flugzeug ein Elektroflugzeug, d.h. ein elektrisch angetriebenes Flugzeug.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:

1 ein erfindungsgemäßes Flugzeug mit einem Antriebssystem schematisch in einer Draufsicht und
2 das Antriebssystem des Flugzeugs gem. 1 schematisch in einer Prinzipskizze.

Das in 1 dargestellte Flugzeug 100 weist ein elektrisches Antriebssystem 200 auf, welches das Flugzeug 100 antreibt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Flugzeug 100 ein elektrisch angetriebenes Flugzeug. Grundsätzlich kann in weiteren, ansonsten identischen, Ausführungsbeispielen, welche hier nicht gesondert beschrieben werden sollen, das Flugzeug 100 auch ein konventionell, d.h. mittels Verbrennung von Kerosin, angetriebenes Flugzeug 100 sein.
Das elektrische Antriebssystem 200 weist in an sich bekannter Weise einen Umrichter 210 mit mehreren Leistungsmodulen 220 auf, welcher einen Asynchronmotor 225 speist.
Zur Kühlung des Umrichters 210 weist das elektrische Antriebssystem 200 einen Kühlkreislauf 230 auf, welcher mittels Kühlfluidleitungen 240 ein Kühlfluid, im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Kühlflüssigkeit, etwa Öl oder Wasser-Glykol, führt.
Das vom Umrichter 210 erwärmte Kühlfluid wird mittels der Kühlfluidleitungen 240 über eine stellbare Drossel 250 geführt und stromabwärts der Drossel 250 zu einem Wärmetauscher 260 geleitet. Der Wärmetauscher 260 steht in Kontakt mit der Umgebungsluft des Flugzeugs 100, welche das Kühlfluid in großen Flughöhen des Flugzeugs 100 kühlt.
Aus dem Wärmetauscher 260 führt der Kühlkreislauf 230 über eine Mischbatterie 270 das in großen Höhen über die Umgebungsluft gekühlte Kühlfluid zu einer Pumpe 280. Zwischen Mischbatterie 270 und Pumpe 280 befindet sich ein Ausgleichstank 290, welcher einen Ein- oder Austrag von Kühlfluid im Kühlkreislauf 230 ausgleicht. Die Pumpe 280 treibt das Kühlfluid im Kühlkreislauf 230 durch einen Filter 300 und ein Ventil 310 in Flussrichtung F zurück zum Umrichter 210, welcher bei großen Höhen des Flugzeugs 100 mittels des Kühlfluids gekühlt wird.
Erfindungsgemäß wird das Kühlfluid des Kühlkreislaufs 230 temperiert, d.h. in großen Höhen und in kalten Regionen wird die Kühlwirkung der kalten Außenluft gedrosselt und bei Standzeiten des Flugzeugs 100 wird die Temperatur mittels Heizung konstant gehalten.
Dazu weist der Kühlkreislauf 230 einen Bypass 320 zur Regelung des Durchflusses des Kühlfluids durch den Wärmetauscher 260 auf. Der Bypass mündet aus der Kühlfluidleitung 240 stromabwärts der Drossel 250 aus und führt ohne Umweg über den Wärmetauscher 260 direkt zur Mischbatterie 270, welche das vom Umrichter 210 erwärmte Kühlfluid mit dem vom Wärmetauscher 260 gekühlten Kühlfluid mischt. Mittels der Mischung mit der Mischbatterie 270 wird also das Kühlfluid nicht soweit wie möglich im Wärmetauscher 260 abgekühlt, sondern das Kühlfluid wird mittels Mischung von Kühlfluid, welches den Wärmetauscher 260 passiert und Kühlfluid, welches den Wärmetauscher 260 nicht passiert, effektiv im Vergleich zu einem bypassfreien Kühlkreislauf 230 geheizt. Sowohl der Bypass 320 als auch der von der Drossel 250 in den Wärmetauscher 260 führende Zweig des Kühlkreislaufs 230 weisen jeweils ein Stellventil auf, mittels welchem der Fluss in den Wärmetauscher 260 oder durch den Bypass 320 eingestellt werden kann.
Nicht eigens in der Zeichnung gezeigt ist ein Thermostat vorhanden, welcher die Temperatur des Kühlfluids stromabwärts der Mischbatterie 270 misst. Eine nicht gesondert in der Zeichnung dargestellte Regelung in der Mischbatterie 270 stellt das Mischverhältnis geeignet ein, sodass die Temperatur des Umrichters 210 mittels der Temperatur des Kühlfluids als Regelgröße möglichst konstant gehalten wird.
Optional und zusätzlich zu dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann eine Heizung vorgesehen sein, welche den Umrichter 210 bei Standzeiten des Flugzeugs 100 in kalten Regionen heizt, sodass auch in diesem Falle der Umrichter 210 auf konstanter Temperatur gehalten wird. Ferner kann ein weiterer Kühlzweig vorhanden sein, mittels welchem insbesondere in der Startphase des Flugzeugs 100, in welcher hohe Verlustleistungen auftreten, eine Entwärmung des Umrichters 210 in einen ggf. vorhandenen Kerosintank des Flugzeugs 100 oder aber eine Entwärmung des Umrichters 210 in eine ggf. vorhandene Passagierkabine des Flugzeugs 100 erfolgt.
Optional und zusätzlich zu dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann eine aktive Kühlung vorgesehen sein, welche den Umrichter 210 während einer Standzeit des Flugzeugs 100 an einem Flughafen in einer heißen Region oder Umgebung kühlt.

Claims

Flugzeug mit mindestens einem Leistungselektronikbauteil (210) und einem Kühlkreislauf (230) zur Kühlung des mindestens einen Leistungselektronikbauteils (210) mittels eines Kühlfluids, wobei das Flugzeug mindestens ein Temperaturstellmittel (270) aufweist, welches ausgebildet und angeordnet ist, eine Temperatur des Kühlkreislaufs (230) abhängig von einer Temperatur im oder am Flugzeug oder von einer Verlustleistung zu stellen.
Flugzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Verlustleistung eine Verlustleistung des Leistungselektronikbauteils (210) ist.
Flugzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Temperaturstellmittel (270) eine Heizung, insbesondere ausgebildet zur Heizung des Kühlfluids, und/oder zusätzlich zum Kühlkreislauf eine Kühleinrichtung, insbesondere ausgebildet zur Kühlung des Kühlfluids, umfasst.
Flugzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Kühlkreislauf (230) einen Wärmetauscher (260) und einen ersten, Kühlfluid über den Wärmetauscher (260) führenden, Zweig und einen zweiten, Kühlfluid nicht über den Wärmetauscher (260) führenden, Zweig (320) umfasst, wobei das Temperaturstellmittel, insbesondere eine Mischbatterie (270), den Anteil von über den ersten und den zweiten Zweig (320) geführten Kühlfluids stellt.
Flugzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Temperatur im oder am Flugzeug (100) eine Temperatur einer zur Kühlung genutzten Umgebungsluft des Flugzeugs (100) und/oder eine Temperatur des mindestens einen Leistungselektronikbauteils (210) und/oder eine Temperatur des Kühlkreislaufs (230) ist.
Flugzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Temperatur des Kühlkreislaufs (230) eine Temperatur des Kühlfluids und/oder eine Temperatur eines über den Wärmetauscher (260) geführten Fluids, insbesondere die Temperatur über den Wärmetauscher (260) geführter Außenluft, ist.
Flugzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Temperaturstellmittel (270) eine Regelung aufweist, wobei die Temperatur des Kühlkreislaufs (230) eine Regelgröße und/oder die Temperatur im oder am Flugzeug eine Störgröße bildet.
Flugzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ein Kerosinreservoir aufweist und bei welchem der Kühlkreislauf (230) des Flugzeugs (100) einen Zweig aufweist, welcher zur Entwärmung des mindestens einen Leistungselektronikbauteils in das Kerosinreservoir ausgebildet ist.
Flugzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das mindestens eine Leistungselektronikbauteil (210) mindestens einen Umrichter und/oder mindestens ein oder mehrere Leistungsmodul/e (220) aufweist.
Flugzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Antrieb, welcher das Leistungselektronikbauteil (210) aufweist, insbesondere elektrisch angetriebenes Flugzeug (100) .