Kühleinrichtung für eine elektrische Schaltanlage und

Verfahren zum Betreiben einer solchen Kühleinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für eine elektri sche Anlage, insbesondere für ein Umrichtersystem einer elektrischen Anlage eines Schienenfahrzeugs, gemäß dem Ober begriff des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Er findung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Kühlein richtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.

Beim Betrieb von elektrischen Anlagen, beispielsweise von Um richtersystemen einer elektrischen Anlage eines Schienenfahr zeugs im Eisenbahnbereich, fallen an Verlustleistungsquellen wie beispielsweise Leistungshalbleitern entsprechend hohe Verluste in Form von thermischer Energie, also von Wärme, an. Um hierbei ein Überhitzen der Anlage, insbesondere der elektrischen Komponenten wie Si-IGBT ( Insulated-Gate-Bipolar- Transistor = Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) oder SiC-MOSFET (Metaloxide-Semiconductor-Field-Effect- Transistor = Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) zu vermeiden, ist eine geeignete Wärmeabfuhr erforderlich. Dies erfolgt üblicherweise über in Kühlkreisläufen zirkulierende Kühlmedien in flüssigem oder gasförmigen Zustand, welche die thermische Energie aufnehmen und abtransportieren.

Ein großes Problem stellt hierbei ein Ausfall der Kühlein richtung beziehungsweise des Kühlkreislaufes dar, sodass der Massestrom des Kühlmittels abrupt stoppt und somit keine Wär me mehr von den Verlustleistungsquellen abgeführt wird. In folgedessen kann es zu Schäden an den zu kühlenden Komponen ten kommen.

Aus diesem Grund ist eine zuverlässige Überwachung des Mas senstroms des Kühlmittels unumgänglich, um bei einer Störung entsprechende Maßnahmen zur Vermeidung von Folgeschäden - wie beispielsweise das Abschalten des Umrichtersystems - ergrei- fen zu können. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass durch die Steigerung der Leistungsdichte in derartigen Verlustleis tungsquellen wie Umrichtern eine kontinuierliche und zuver lässige Abfuhr der thermischen Energie an weiterer Bedeutung gewinnt .

Bei einer leistungsstarken und zuverlässigen Abfuhr der an fallen thermischen Energie beziehungsweise Wärme ist es über dies erforderlich, dass fehlerhafte oder unbeabsichtigte Aus fälle in Form von vermeintlichen, jedoch tatsächlich nicht vorhandenen Unterbrechungen des Massestroms des Kühlmittels unbedingt vermieden werden sollen, um eine hohe Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der elektrischen Anlage, beispielsweise des darin enthaltenen Umrichtersystems, zu erhalten. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass gerade sprunghafte Temperaturän derungen des in dem Kühlkreislauf zirkulierenden Kühlmittels zu derartigen fehlerhaften und unbeabsichtigten Auslösungen führen können, sofern als Detektionsprinzip für eine Erken nung der Unterbrechung des Massenstroms des Kühlmittels eine oder mehrere Temperaturmessungen herangezogen werden. Im Bahnbereich entstehen derartige sprunghafte Temperaturände rungen beispielsweise bei plötzlichen Änderungen der Umge bungsbedingungen, zum Beispiel bei der Einfahrt eines Schie nenfahrzeugs in einen Tunnel, sodass der in einem Wärmetau scher den Massenstrom des Kühlmittels kühlende weitere Stoff strom - beispielsweise den Wärmetauscher durchströmende Kühl luft - abrupt eine andere Temperatur aufweist, die demzufolge zum beschriebenen Temperatursprung des anderen Stoffstroms des Wärmetauschers, nämlich des Massenstroms des Kühlmittels, führt .

Gemäß dem in FIG 1 dargestellten Stand der Technik werden bislang mehrere Möglichkeiten in Betracht gezogen, um den Ausfall des Massenstroms des Kühlmittels zu erkennen. In FIG 1 ist hierbei in einer schematischen Ansicht eine Kühlein richtung für eine elektrische Anlage, insbesondere für ein Umrichtersystem eines Schienenfahrzeugs erkennbar, bei wel chem von einem Kühlkreislauf ein entsprechender Kühlmittelka- nal ausschnittsweise erkennbar ist. Innerhalb des Kühlkreis laufs ist dabei ein hier nicht erkennbarer Wärmetauscher zur Abkühlung des Kühlmittels angeordnet, welcher beispielsweise bei einem Schienenfahrzeug von der Umgebungsluft als dem ei nen Stoffstrom umströmt werden kann, mittels welchem der Mas sestrom des Kühlmittels als zweiter Stoffstrom in Wärmeaus tausch steht. Ein Kühlkanal durchsetzt im vorliegenden Fall einen Kühlkörper 12, welcher seinerseits mit einer Verlust leistungsquelle 14 verbunden beziehungsweise thermisch gekop pelt ist. Bei der Verlustleistungsquelle 14 handelt es sich beispielsweise um ein IGBT-Modul ( Insulated-Gate-Bipolar- Transistor = Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) des Umrichtersystems. Mit Pfeilen 16 ist dabei der Eintrag einer thermischen Energie von Wärme aus der Verlustleistungs quelle 14 in den Kühlkörper 12 symbolisiert.

Der Ausfall des Massenstroms des den Kühlkanal durchströmen den Kühlmittels kann nun gemäß dem Stand der Technik bislang auf zwei verschiedene Arten ermittelt werden: zum einen sind Systeme mit einem jeweiligen Sensor 18 bekannt, mittels wel chem der Massenstrom beziehungsweise die Durchflussmenge an Kühlmittel ermittelt werden kann. Derartige Durchflusssenso ren 18 sind allerdings häufig teuer und auch relativ unzuver lässig. Zum anderen ist es bekannt, die jeweiligen Tempera tursensoren 20, 22 vor beziehungsweise hinter einer Passage 24 des Massenstroms des Kühlmittels durch einen Überdeckungs bereich des Kühlkreislaufs beziehungsweise des Kühlkanals 10 mit der Verlustleistungsquelle 14 angeordnet sind. Unter der Passage 24 ist demzufolge derjenige Längenbereich des Kühlka nals 10 zu verstehen, welcher in Überdeckung mit der Verlust leistungsquelle 14 liegt.

Anhand der Temperatursensoren 20, 22 wird somit eine jeweili ge Temperatur des Kühlmittels vor Eintritt in die Passage 24 beziehungsweise nach Austritt aus dieser gemessen.

Ist der Verlustleistungseintrag, also der Eintrag an thermi scher Energie beziehungsweise Wärme der zu kühlenden Verlust- leistungsquelle 14 in das Kühlmittel bekannt, so kann aus der über die beiden Temperatursensoren 20, 22 ermittelten Tempe raturdifferenz vor und hinter der Verlustleistungsquelle 14 der Massestrom des Kühlmittels bestimmt werden, sofern die Wärmekapazität des Kühlmittels bekannt ist. Fällt der berech nete Wert des Stroms unter einen gewissen Grenzwert, ist von einer Störung auszugehen.

Allerdings benötigt dieses System eine genaue Kenntnis über die momentan in das Kühlsystem eingetragene Verlustleistung der Verlustleistungsquelle 14. Dies erfordert eine genaue Mo dellbildung beispielsweise des Schaltverhaltens und des

Durchlassverhaltens der zur Kühlung vorgesehenen Verlustleis tungsquelle 14, wenn die Verlustleistungsquelle 14 als Leis tungshalbleiter (IGBT, MOSFET) ausgebildet ist, um die daraus resultierenden Verluste kontinuierlich mittels einer Rechen einrichtung bestimmen zu können. Dies bringt einen erhebli chen Aufwand und Unsicherheiten innerhalb der Modellierungen mit sich. Außerdem ist die Ermittlung der jeweiligen Tempera turen des Kühlmittels vor und hinter der Verlustleistungs quelle 14 empfindlich für Temperatursprünge des in den Kühl körper 12 beziehungsweise die Passage 24 eintretenden Kühl mittels, beispielsweise wenn sich die Temperatur des Kühlmit tels bei einer Einfahrt des Schienenfahrzeugs in einen Tunnel in Folge der dann geänderten Wärmetauscherumgebung sich ab rupt verändert. Da nämlich in die Durchflussberechnung die Temperaturdifferenz der beiden Sensoren 20, 22 eingeht, führt ein Sprung der Kühlmitteltemperatur vor dem Eintritt in die Passage 24, welche durch den vor der Verlustleistungsquelle 14 angeordneten Temperatursensor 20 bereits erfasst wird, aber aufgrund der Bewegungsgeschwindigkeit des Kühlmittels noch nicht am Ende der Passage 24 beim zweiten Temperatur sensor 22 erfasst werden kann, zu einem Fehler im berechneten Durchfluss. Somit kann es zu einer fehlerhaften und unbeab sichtigten Auslösung einer Ausfallerkennung des Massenstroms des Kühlmittels kommen. Aus der DE 11 2011 105 018 T5 ist ein Kühlsystem für ein Fahrzeug mit einem Strömungskanal, der ein flüssiges Medium umwälzt, das eine Antriebsvorrichtung des Fahrzeugs kühlt, bekannt. Dieses Kühlsystem umfasst eine Vielzahl von Tempera tursensoren, die an unterschiedlichen Positionen des Strö mungskanals vorgesehen sind. In dem Strömungskanal ist ein Heizelement vorgesehen, das durch das flüssige Medium gekühlt wird. Eine Strömungsrate des durch den Strömungskanal strö menden flüssigen Mediums wird auf Grundlage einer Zeitverzö gerung geschätzt, die zur Erfassung einer durch Änderung ei nes Wärmeerzeugungszustands des Heizelements verursachten Temperaturänderung durch die Vielzahl der Temperatursensoren benötigt wird.

Darüber hinaus ist aus der DE 10 2013 219 789 Al eine Vor richtung zur Bestimmung einer Flussgeschwindigkeit eines Kühlmittels durch einen Kühlkanal bekannt. Der Kühlkanal ist dazu eingerichtet, einen Umrichter zu kühlen. Mindestens ein Temperatursensor ist an mindestens einer Stelle des Kühlka nals zur Ermittlung der Temperatur des Kühlmittels vorgese hen. Die Bestimmung der Flussgeschwindigkeit des Kühlmittels durch den Kühlkanal erfolgt anhand der ermittelten Temperatur an der mindestens einen Stelle und/oder anhand einer mittels der Messeinheit ermittelten Wärmeleistung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Küh leinrichtung für eine elektrische Anlage, insbesondere für ein Umrichtersystem einer elektrischen Anlage eines Schienen fahrzeugs, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Kühleinrichtung zu schaffen, mittels welchen sich einerseits eine einfache und kostengünstige Lösung zur Ausfallerkennung realisieren lässt, und welche andererseits äußerst unanfällig für eine fehlerhafte beziehungsweise unbeabsichtigte Auslö sung bei tatsächlich nicht vorhandenem Ausfall des Mas sestroms des Kühlmittels ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kühleinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Ver- fahren zum Betreiben einer derartigen Kühleinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausge staltungen mit günstigen Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.

Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung für eine elektrische Schaltanlage, insbesondere für ein Umrichtersystem einer elektrischen Anlage eines Schienenfahrzeugs, umfasst einen Kühlpfad, in welchem wenigstens eine Verlustleistungsquelle integriert beziehungsweise in diesem angeordnet ist und wel cher von einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmittel durch- stömbar ist. Überdies umfasst die Kühleinrichtung eine Tempe ratursensorik zum Erfassen eines Ausfalls eines Massenstromes des Kühlmittels und somit zum Detektieren eines Ausfalls der gesamten Kühleinrichtung, wobei die Temperatursensorik zwei in Transportrichtung des Kühlmittels voneinander beabstandet in den Kühlpfad integrierte Temperatursensoren umfasst, wel che erfindungsgemäß in Transportrichtung des Kühlmittels vor einer Passage des Massenstroms des Kühlmittels durch einen Überdeckungsbereich des Kühlpfads mit der Verlustleistungs quelle angeordnet sind. Der Überdeckungsbereich von Verlust leistungsquelle und Kühlpfad ist als derjenige Bereich defi niert, in dem der hauptsächliche Wärmestrom von Wärmequelle zum Kühlmittel im Normalbetrieb geführt wird.

Im Unterschied zum bisherigen Stand der Technik, bei welchem die jeweiligen Temperaturen des Kühlmittels in dessen Trans portrichtung vor dessen Eintritt in die Passage des Massen stroms durch den Überdeckungsbereich des Kühlpfads mit der Verlustleistungsquelle beziehungsweise nach dessen Austritt ermittelt worden sind, ist nunmehr erfindungsgemäß vorgese hen, die jeweiligen Temperaturen in größerem und kleineren Abstand vor Eintritt in die Passage des Massenstroms des Kühlmittels durch den Überdeckungsbereich des Kühlpfads mit der Verlustleistungsquelle zu messen.

Der wesentliche Vorteil einer derartigen Messung ist es, dass somit in einfacher Weise lediglich eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperaturmessstellen in größerem und kleineren Abstand vor Eintritt in die Passage des Massen stroms des Kühlmittels durch den Überdeckungsbereich des Kühlpfads mit der Verlustleistungsquelle ausgewertet werden muss, wobei ein Ausfall des Massenstroms immer dann vorliegt, wenn die Temperaturdifferenz deutlich höher als im Normalbe trieb ist und bei transienten Vorgängen der Temperaturanstieg des Kühlmittels im Nahbereich der Verlustleistungsquelle dem Temperaturanstieg an der demgegenüber weiter von der Verlust leistungsquelle entfernten Erfassungsstelle der Temperatur des Kühlmittels vorauseilt. Beide Teile dieser Bedingungen können dabei in einfacher Weise mit einer geeigneten, überla gerten Steuerung überprüft werden. Hierbei sind im Unter schied zum bisherigen Stand der Technik keine aufwändige Mo dellierungen des thermischen Verhaltens des Kühlmittels be ziehungsweise des Gesamtsystems und keine Kenntnis der aktu ell eingebrachten Verlustleistung in der Verlustleistungs quelle in das Kühlmittel notwendig, um diese Erkennung umzu setzen .

Ein weiterer großer Vorteil ist es, dass Temperatursprünge, welche beispielsweise bei vorhandener Zirkulation und Umwäl zung des Kühlmittels in Folge einer Temperaturveränderung beispielsweise im Bereich des Wärmetauschers entstehen, wie sich dies im Eisenbahnbetrieb beispielsweise bei sich verän dernden Temperaturen auf der Zugstrecke (Einfahrt in einen Tunnel) ergeben kann, weitaus robuster abgefangen werden kön nen. Eine derartige Temperaturänderung der Außenumgebung führt nämlich beispielsweise in Folge des dann wärmeren

Stoffstroms der Kühlluft am Wärmetauscher zu einem solchen Temperatursprung des anderen Stoffstroms, nämlich des Massen stroms des Kühlmittels, welcher dann mittels der beiden Tem peratursensoren erfasst wird.

Da hierbei zunächst der von der Passage des Stroms durch den Überdeckungsbereich des Kühlpfads mit der Verlustleistungs quelle entferntere Temperatursensor einen Temperaturanstieg erfasst, bevor dieser Temperaturanstieg auch durch einen nä- her an der Passage angeordneten zweiten Sensor erfasst wird kann diese Betriebssituation von einem Ausfall des Massen stroms des Kühlmittels unterschieden werden, bei dem der kor respondierende zeitliche Temperaturgradient stets zuerst von dem, dem Überdeckungsbereich zugewandten, Temperatursensor erfasst wird., Infolgedessen ergibt sich insgesamt ein äu ßerst kostengünstiges und störungsunanfälliges Gesamtsystem zur Überwachung des Massenstroms des Kühlmittels innerhalb des Kühlpfads. Der Kühlpfad ist dabei insbesondere Teil eines Kühlkreislaufes, in welchen ein Wärmetauscher integriert ist. Gleichwohl wäre auch ein offenes System denkbar, bei welchem beispielsweise mittels eines Lüfters Umgebungsluft durch den Kühlpfad geblasen wird. Dann ist der Kühlkreislauf nicht mehr richtig geschlossen (nur über Umgebungsluft) . Ein Wärmetau scher ist dann auch nicht erforderlich.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der eine Temperatur sensor in Transportrichtung des Kühlmittels im Bereich eines Eintritts des Massenstromes in den Kühlkörper und der weitere Temperatursensor im Nahbereich vor der Passage des Massen stroms durch den Überdeckungsbereich des Kühlpfads mit der Verlustleistungsquelle angeordnet ist. Auf diese Art und Wei se ist insbesondere eine Wärmeausbreitung in Folge des Ein trags einer thermischen Energie durch die Verlustleistungs quelle beim Ausfall des Massenstroms besonders schnell und zuverlässig ermittelbar, wenn der im Nahbereich vor der Pas sage des Massenstroms durch den Überdeckungsbereich des Kühl pfads mit der Verlustleistungsquelle angeordnete Temperatur sensor einen entsprechenden, ungewöhnlichen Temperaturanstieg ermittelt .

Darüber hinaus ist erfindungsgemäß eine Recheneinrichtung vorgesehen, welche dazu eingerichtet ist, eine Temperaturdif ferenz der beiden erfassten Temperaturen des Kühlmittels zu ermitteln und mit einem Grenzwert zu vergleichen wird und ei ne Erfassungsreihenfolge einer Temperaturänderung des Kühl mittels an den Messstellen zu ermitteln und mit einem Grenz wert zu vergleichen In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich dabei als vorteilhaft gezeigt, wenn die Verlustleistungsquelle mit ei nem in den Kühlpfad integrierten Kühlkörper Wärme leitend ge koppelt, beispielsweise unmittelbar verbunden oder einstückig mit diesem ausgestaltet, ist, wobei die beiden Temperatur sensoren dann an dem Kühlkörper angeordnet sind. Der Kühlkör per sorgt somit einerseits für eine homogene Temperaturabfuhr der thermischen Energie aus der Verlustleistungsquelle und ermöglicht eine sehr feine und genaue Temperaturerfassung mittels der beiden Temperatursensoren.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht überdies eine Mehrzahl von Verlustleistungsquellen vor, wobei die beiden Temperatursensoren voneinander beabstandet in Transportrichtung des Kühlmittels vor einer Passage des Mas senstroms durch einen Überdeckungsbereich des Kühlpfads mit einer der Verlustleistungsquellen angeordnet sind. Im Ergeb nis kann somit in einfacher Weise eine Überhitzung mehrerer, innerhalb des Kühlpfads hintereinander angeordneter Verlust leistungsquellen durch eine einzige Anordnung von zwei Tempe ratursensoren vor einer der Verlustleistungsquellen - in Transportrichtung des Kühlmittels gesehen - detektiert wer den .

Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Kühlpfad Teil eines Kühlkreislaufs ist, in welchen ein Wärme tauscher integriert ist. Ein derartiges System ist besonders betriebssicher und einfach zu betreiben.

Die vorstehend im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Küh leinrichtung beschriebenen Vorteile ergeben sich in ebensol cher Weise für das Verfahren zum Betreiben dieser Kühlein richtung gemäß Patentanspruch 5.

Das Verfahren zeichnet sich zudem insbesondere dadurch aus, dass auf einfache Weise jeweilige Temperaturdifferenzen der mittels der beiden Temperatursensoren ermittelten Temperatu ren des Kühlmittels berechnet werden können und sich dann auf einfache Weise ein Ausfall des Massenstroms ermitteln lässt, wenn beispielsweise ein Grenzwert dieser Temperaturdifferenz überstiegen wird und der Gradient der Temperaturveränderung des Kühlmittels im Nahbereich der Verlustleistungsquelle der Temperaturveränderung an der demgegenüber weiter von der Ver lustleistungsquelle entfernten Erfassungsstelle der Tempera tur des Kühlmittels vorauseilt.

In diesem Zusammenhang hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn bei Überschreiten des Grenzwerts ein Signal über den Ausfall des Massenstroms des Kühlmittels an die übergeordnete Anlage übermittelt wird, damit das System abge schaltet und die entsprechenden Komponenten der Anlage vor Überhitzung geschützt werden können.

Schließlich ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der besonders günstige Vorteil, dass bei Ermittlung eines zeitlichen Temperaturgradienten, der an dem, dem Überde ckungsbereich abgewandten und Zulauf zugewandten, Temperatur sensor zuerst erfasst wird, von einem Temperatursprung des Kühlmittels in Folge der sich verändernden Umgebungsbedingun gen und insbesondere in Folge von damit einhergehenden Tempe raturschwankungen ausgegangen werden kann. Da somit auf ein fache Weise ein zeitlicher Temperaturgradient von dem, dem Überdeckungsbereich abgewandten und Zulauf zugewandten, Tem peratursensor zuerst erfasst wird, kann somit ein Ausfall des Massenstroms in besonders einfacher Weise von einem derarti gen Temperatursprung unterschieden werden, was erheblich zur Zuverlässigkeit der Anlage beiträgt, sodass unbeabsichtigte beziehungsweise unzutreffende Abschaltungen des Gesamtsystems besonders einfach und wirksam vermieden werden können.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungs beispiele sowie anhand der Zeichnungen. In den FIG bezeichnen dabei gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen. Es zeigen: FIG 1 eine schematische Ansicht einer Kühleinrichtung für ein Umrichtersystem einer elektrischen Anlage eines Schienenfahrzeugs gemäß dem Stand der Technik;

FIG 2 eine schematische Ansicht einer Kühleinrichtung für ein Umrichtersystem einer elektrischen Anlage eines Schienenfahrzeugs gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

FIG 3 eine schematische Ansicht der Kühleinrichtung gemäß

FIG 2, anhand welcher die Funktionsweise beim Ausfall eines Massenstroms eines Kühlmittels der Kühleinrich tung angedeutet ist;

FIG 4 ein Diagramm der über die Zeit erfassten Temperaturen einer Temperatursensorik, wobei anhand einer Tempera turdifferenz ein Ausfall des Massenstroms des Kühl mittels erfassbar ist;

FIG 5 ein weiteres Diagramm des Verlaufs der mittels der entsprechenden Temperatursensoren ermittelten Tempe raturen über der Zeit, wobei jeweilige Temperaturver läufe erkennbar sind, mittels welchen ein Temperatur sprung des Kühlmittels in Folge geänderter Umgebungs bedingungen des Schienenfahrzeugs ermittelbar sind; und in

FIG 6 eine schematische Ansicht einer Kühleinrichtung für ein Umrichtersystem einer elektrischen Anlage eines Schienenfahrzeugs gemäß einer weiteren Ausführungs form, bei welcher der Ausfall mehrerer Verlustleis tungsquellen über eine Sensorik ermittelt werden kann .

Während in FIG 1 eine Kühleinrichtung für ein Umrichtersystem einer elektrischen Anlage eines Schienenfahrzeugs gemäß dem Stand der Technik gezeigt ist, soll nun im Weiteren anhand der FIG 2 bis 6 die erfindungsgemäße Kühleinrichtung für ein Umrichtersystem einer elektrischen Anlage eines Schienenfahr zeugs sowie eines Verfahrens zum Betreiben einer derartigen Kühleinrichtung anhand von zwei Ausführungsbeispielen be schrieben werden. Hierbei zeigt FIG 2 eine schematische Ansicht einer Kühlein richtung für ein Umrichtersystem einer elektrischen Anlage eines Schienenfahrzeugs mit einer Verlustleistungsquelle 30, welche beispielsweise als SiC-MOSFET-Modul (Metaloxide- Semiconductor-Field-Effect-Transistor = Metall-Oxid-Halb- leiter-Feldeffekttransistor) ausgebildet ist. Eine derartige Komponente erzeugt ein hohes Maß an thermischer Energie be ziehungsweise Wärme, welche entsprechend abgeführt werden muss, um gegen Überhitzung geschützt zu sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Verlustleistungsquelle 30 hierzu mit einem entsprechend thermisch gut leitenden Kühlkörper 32 verbunden, wobei mit Pfeilen 34 ein Verlustleistungseintrag beziehungsweise ein Wärmeübergang der von der Verlustleis tungsquelle 30 erzeugten thermischen Energie in den Kühlkör per 32 symbolisiert wird. Im vorliegenden Fall sind die Ver lustleistungsquelle 30 und der Kühlkörper 32 separat ausge bildet. Gleichfalls ist es jedoch auch denkbar, dass die bei den Komponenten einstückig gestaltet sind. Ebenso kann die Verlustleistungsquelle 30 einen integrierten Kühlkörper 32 aufweisen .

Wie des Weiteren aus FIG 2 erkennbar ist, ist der Kühlkörper 32 von einem Kühlkanal 36 durchsetzt, welcher selbst Teil ei nes Kühlpfads 39 des Kühlkreislaufs 38 ist. In diesen, in FIG 2 symbolisch angedeuteten Kühlkreislauf 38 sind ein Wärmetau scher 40 und eine Pumpe 42 integriert, mittels welcher ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmedium beziehungsweise Kühl mittel innerhalb des Kühlkreislaufs 38 umgewälzt wird bezie hungsweise zirkuliert. Anstelle einer Pumpe 42 wäre natürlich auch eine andere Umwälzeinrichtung denkbar.

Über den Wärmetauscher 40 wird in dem Kühlmittel gespeicherte Wärme, welche diese durch den Verlusteintrag der Verlustleis tungsquelle 30 aufgenommen hat, in an sich bekannter Weise an ein zweites Stoffstrom übertragen. Dieser zweite Stoffstrom wird bei Schienenfahrzeugen beispielsweise durch die Umge bungsluft gebildet, welche beispielsweise mittels eines Lüf ters beschleunigt wird und dann den Wärmetauscher 40 bezie- hungsweise Kühler durchströmt und hierdurch den Stoffstrom beziehungsweise Massenstrom des in dem Kühlkreislauf 38 zir kulierenden Kühlmittels abkühlt.

Das in dem Wärmetauscher 40 abgekühlte Kühlmittel tritt in nerhalb des Kühlpfads 39 im Bereich eines Eintritts 44 des Massenstroms in den innerhalb des Kühlkörpers 32 vorgesehen Kühlkanal 36 ein. Im weiteren Verlauf des Massenstroms bezie hungsweise im weiteren Verlauf einer mit einem Pfeil 46 ange gebenen Transportrichtung des Kühlkreislaufs 38 beziehungs weise des Kühlpfads 39 gelangt das Kühlmittel dann in einen Längenbereich beziehungsweise in eine Passage 48 des Massen stroms innerhalb des Kühlkanals 36 in den Überdeckungsbereich des Kühlkreislaufs 38 mit der Verlustleistungsquelle 30. Der Überdeckungsbereich von Verlustleistungsquelle 30 und Kühl kreislauf 38 beziehungsweise Kühlpassage 39 ist als derjenige Bereich definiert, in dem der hauptsächliche Wärmestrom von Wärmequelle zum Kühlmittel im Normalbetrieb geführt wird. Un ter der Passage 48 ist demzufolge derjenige Abschnitt des Kühlkanals 36 zu verstehen, in welchem sich der Massenstrom des Kühlmittels im Wesentlichen in Überdeckung mit der Ver lustleistungsquelle 30 befindet. Im Bereich dieser Passage 48 erfolgt demzufolge auch der Verlustleistungseintrag (Pfeile 34) aus der Verlustleistungsquelle 30 über den Kühlkörper 32 in das Kühlmittel. Im vorliegenden Fall wird als Kühlmittel beispielsweise Wasser verwendet. Nachdem das Kühlmittel den Kühlkörper 32 passiert hat, tritt es an einem Austritt 50 wieder aus diesem beziehungsweise aus dem Kühlkanal 36 aus und gelangt von dort aus wiederum zur Pumpe 42, mittels wel cher das Kühlmittel im weiteren Verlauf wiederum zum Wärme tauscher 40 gelangt, in welchem es die von der Verlustleis tungsquelle 30 aufgenommene Wärme an die den Wärmetauscher 40 durchströmende Umgebungsluft abgibt.

Weiterhin ist aus FIG 2 erkennbar, dass eine Temperatursenso rik Teil der Kühleinrichtung ist, welche im vorliegenden Fall einen ersten Temperatursensor 52 und einen zweiten Tempera tursensor 54 umfasst. Der eine, erste Temperatursensor 52 ist dabei - bezogen auf die Transportrichtung 46 des Kühlmittels - im Bereich des Eintritts 44 des Massenstroms in dem Kühl mittelkörper 32 angeordnet. Der zweite Temperatursensor 54 ist im Nahbereich beziehungsweise unmittelbar vor der Passage 48 des Massenstroms durch den Überdeckungsbereich des Kühl kreislaufs 38 beziehungsweise Kühlpfads 39 mit der Verlust leistungsquelle 30 angeordnet. Die Temperatursensoren 52, 54 sind demzufolge - bezogen auf die Transportrichtung 46 des Kühlmittels - vor der Passage 48 des Massenstroms durch den Überdeckungsbereich des Kühlkreislaufs 38 mit der Verlust leistungsquelle 30 positioniert. Dabei können die beiden Tem peratursensoren 52, 54 gegebenenfalls auch außerhalb des Kühlkörpers 32 unmittelbar in entsprechenden Leitungen des Kühlkreislaufs 38 angeordnet sein. Die vorliegende Anordnung der Temperatursensoren 52, 54 innerhalb des Kühlkörpers 32 ist jedoch besonders vorteilhaft, da hier eine gute thermi sche Kopplung der Sensoren an das Kühlmedium vorliegt.

Das Verfahren zum Betreiben der Kühleinrichtung sieht nun vor, dass bei zirkulierendem Kühlmittel mittels der beiden Temperatursensoren 52, 54 die jeweilige Temperatur am Ein tritt 44 beziehungsweise vor der Passage 48 ermittelt wird. Wie nun aus dem Diagramm gemäß FIG 4 nahe der dortigen Ordi nate erkennbar ist, verlaufen entsprechende Temperaturmess kurven A, B über die Zeit üblicherweise konstant und parallel zueinander. Die Temperaturmesskurve A der mittels des Tempe ratursensors 52 am Eintritt 44 ermittelten Temperatur ist da bei üblicherweise geringer als die Temperaturmesskurve B der im Bereich vor der Passage 48 mittels des Temperatursensors 54 ermittelten Temperatur. Dies hängt damit zusammen, dass an der Messstelle des zweiten Temperatursensors 54 der Verlust leistungseintrag durch die Verlustleistungsquelle 30 dazu führt, dass in diesem Bereich der Kühlkörper 32 beziehungs weise das in diesen Bereich strömende Kühlmedium eine leicht erhöhte Temperatur hat. Die Temperatur A entspricht demzufol ge der Kühlmittelzulauftemperatur . Die vom Temperatursensor 54 hingegen gemessene Temperatur B ist nur geringfügig höher als die Temperatur A, da sich ein Teil der von der Verlust- leistungsquelle 30 eingetragenen Leistung entgegen der Strö mungsrichtung des Kühlmittels ausbreitet und so die Tempera tur, welche durch die Temperaturmesskurve B repräsentiert wird, geringfügig erhöht. Eine Temperaturdifferenz kann somit ermittelt werden, indem der Wert der Temperaturmesskurve B um den Wert der Temperaturmesskurve A subtrahiert wird. Im nor malen Betrieb der Kühleinrichtung wird somit eine geringe po sitive Temperaturdifferenz DT ermittelt.

Kommt es nun zu einem Zeitpunkt (Linie 53) zu einem Ausfall der Pumpe 42 oder einem sonstigen Erliegen des Massenstroms des Kühlmittels innerhalb des Kühlkreislaufs 38, so resul tiert in Folge der weiterhin aus der Verlustleistungsquelle 30 in den Kühlkörper 32 beziehungsweise in das Kühlmittel eingebrachten Verlustleistung eine Temperaturerhöhung direkt unter der Verlustleistungsquelle 30 beziehungsweise über die Passage 48 im Überdeckungsbereich der Verlustleistungsquelle 30 mit dem Kühlkanal 36. Durch die resultierende Temperatur differenz beziehungsweise durch Ausbreitung der in das Kühl medium eingetragenen thermischen Energie beziehungsweise Wär me ergibt sich ein Wärmestrom entgegen der normalen Fluss richtung 46 des Massenstroms des Kühlmittels, wie dies in FIG 3 anhand entsprechender Linien 55 angedeutet ist.

Aufgrund dieses Wärmestroms entgegen der normalen Flussrich tung 46 erhöht sich die durch den Temperatursensor 54 ermit telte Temperatur sehr schnell und stark, wie in FIG 4 anhand der Temperaturkurve B erkennbar ist. Deutlich verzögert und in geringerem Umfang aufgrund des Abstandes zur Verlustleis tungsquelle 30 erhöht sich auch die mittels des Temperatur sensors 52 gemessene Temperatur am Eintritt 44 in den Kühl körper 32. Diese Verzögerung ergibt sich in Folge des sich entgegen der normalen Flussrichtung 46 ausbreitenden Wär mestroms, welcher nach Erreichen der Messstelle im Bereich des Temperatursensors 54 noch einige Zeit benötigt, bis auch der Temperatursensor 52 im Bereich des Eintritts 44 in den Kühlkörper 32 eine entsprechende Temperaturerhöhung misst. Den Verlauf dieser Temperaturkurve A im Bereich des Eintritts 44 ist in FIG 4 ebenfalls erkennbar.

Aus FIG 4 wird somit deutlich, dass nach dem mit der gestri chelten Linie 53 angedeuteten Zeitpunkt des Ausfalls der Kühlmittelumwälzung beziehungsweise der Zirkulation des Mas senstroms innerhalb des Kühlkreislaufs 38 eine deutliche Er höhung der Temperaturmesskurve B und - nachfolgend und mode rater - auch der Temperaturmesskurve A erfolgt. Somit steigt die Temperaturdifferenz DT an, wie dies deutlich aus dem Dia gramm gemäß FIG 4 erkennbar ist.

Die Temperaturdifferenz DT kann dabei mittels einer Auswert einheit kontinuierlich geprüft werden. Die Temperaturdiffe renz DT kann in einer Recheneinheit mit einem Grenzwert ver glichen werden, welcher einen Ausfall des Massenstroms defi niert. Bei Überschreiten des Grenzwerts kann ein Signal über den Ausfall des Massenstroms des Kühlmittels an die Anlage übermittelt werden. Ein Ausfall des Kühlmittelmassenstroms liegt demzufolge immer dann vor, wenn die Temperaturdifferenz DT zwischen dem Temperatursensor 54 und dem Temperatursensor 52 deutlich höher ist als im Normalbetrieb und der Tempera turanstieg im Bereich des Temperatursensors 54 dem Tempera turanstieg im Bereich des Temperatursensors 52 vorauseilt. Beide Teile dieser Bedingung können mit einer geeigneten, überlagerten Steuerung geprüft werden.

FIG 5 zeigt ein weiteres Diagramm der Temperatur der beiden Temperaturmesskurven A, B über die Zeit t. Hierbei sind im Diagramm zwei Temperatursprünge 56, 58 zu jeweiligen Zeit punkten eingetragen. Derartige Temperatursprünge 56, 58 ent stehen beispielsweise bei einer signifikanten Änderung der Bedingungen im Wärmetauscher 40, nämlich beispielsweise dann, wenn das Schienenfahrzeug in einen Tunnel einfährt, in wel chem eine deutlich andere Temperatur vorherrscht als zuvor. Ist demzufolge die Kühlmittelumwälzung und die Zirkulation des Massenstroms aktiv, und es kommt zu einem Temperatur sprung beispielsweise im Stoffstrom des Wärmetauschers, also der Kühlluft, so führt dies entsprechend zu einem Temperatur sprung des Kühlmittels. Dieser Sprung entsteht im Kühlmittel zulauf, und zwar aufgrund der Flussrichtung des Kühlmittels immer zunächst am Temperatursensor 52 nahe des Eintritts 44 und mit zeitlichem Verzug danach vor Eintritt des Kühlmittels in die Passage 48 am Temperatursensor 54. Damit ist die De tektionsreihenfolge der Temperaturänderung genau umgekehrt wie beim Ausfall des Massenstroms, wie dieser zuvor beschrie ben worden ist. Somit wird beim ersten Temperatursprung an der Linie 56 eine negative Temperaturdifferenz DT zwischen der Temperaturmesskurve B und der Temperaturmesskurve A er mittelt, welche sich in Folge des geänderten Vorzeichens von derjenigen Temperaturdifferenz DT unterscheidet, welche bei einem Ausfall des Massenstroms detektiert wird. Somit kann ein Kühlmittelsprung im Zulauf klar von einem Massenstromaus fall des Kühlmittels unterschieden werden.

Der im Bereich der Linie 58 angedeutete zweite Temperatur sprung des Kühlmittels entsteht beispielsweise nach Verlassen des Tunnels bis sich der Verlauf der Temperaturmesskurven A und B über die Zeit wieder normalisiert hat.

FIG 6 zeigt schließlich ein weiteres Ausführungsbeispiel der Kühleinrichtung in einer schematischen Ansicht, wobei der Kühlkanal 36 des Kühlkreislaufs 38 äußerst schematisch ange deutet ist. An diesem Kühlkanal 36 ist ein Kühlkörper 32 in Form einer Kühlplatte angeordnet, auf welchem wiederum zwei Verlustleistungsquellen 30 beispielsweise in Form jeweiliger Leistungshalbleiter angeordnet sind. Wiederum erkennbar sind die jeweiligen Temperatursensoren 52, 54, welche entsprechend in einem größeren beziehungsweise kleineren Abstand zur je weiligen Verlustleistungsquelle 30 angeordnet sind. Dabei ist insbesondere erkennbar, dass auch beim Einsatz von zwei Ver lustleistungsquellen 30 lediglich eine Temperatursensorik mit einem Paar von Temperatursensoren 52, 54 erforderlich ist, mittels welchen dann sowohl der Ausfall der in Transportrich tung 46 des Kühlmediums betrachtet vorderen als auch hinteren Verlustleistungsquelle 30 detektiert werden kann. Mit anderen Worten ist auch beim Einsatz von zwei Verlustleistungsquellen 30 somit lediglich ein Paar von Temperatursensoren 52, 54 er forderlich .