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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wartung und zur Temperierung
des Kühlmittels
für ein
Kühlsystem
eines elektrischen Geräts,
welches einen eigenen geschlossenen Kreislauf für ein flüssiges Kühlmittel zur Abführung von
Verlustwärme
aufweist, sowie eine Verwendung einer solchen Vorrichtung zur Temperierung
eines elektrischen Geräts
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Eine
solche Vorrichtung ist insbesondere von Bedeutung für mobile
flüssigkeitsgekühlte elektrische Geräte, bei
welchen einerseits hohe Anforderungen an die Eigenschaften des flüssigen Kühlmittels
gestellt sind und andererseits im Betrieb keine Möglichkeiten
zur laufenden Kontrolle und Regeneration des Kühlmittels bestehen. Es zeigt
sich im Betrieb solcher Geräte,
daß mit
vertretbarem Aufwand eine Degradation der Kühlmitteleigenschaften durch
Aufnahme von Gasen und Wasser im Kühlmittel und/oder im Kühlmittelkreislauf
unvermeidbar ist. Um einen Ausfall der Geräte zu vermeiden, muß das Kühlmittel
entweder regelmäßig in Wartungszyklen
des Geräts ausgetauscht
oder regeneriert werden.
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Insbesondere
sind z. B. bei Hochfrequenz-Sendeanlagen großer Leistung in Flugzeugen hochfrequente
Signale und hohe Spannungen vorhanden, so daß zur Kühlung der Leistungsbauelemente
ein Kühlmittel
mit gutem Wärmetransportvermögen hoher
elektrischer Durchschlagsfestigkeit benötigt wird, wobei eine Funktionssicherheit über einen
großen
Temperaturbereich im Betrieb gegeben sein muss.
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In
der
DD 266 671 A1 ist
eine Anordnung zur Aufbereitung von Transformatorenöl eines
elektrischen Triebfahrzeugs beschrieben, welche in den Ölkreislauf
des Transformators integriert ist und während des Betriebs des Fahrzeugs
eine Entgasung und Entfeuchtung des Öls im Kreislauf ermöglicht, wobei
eine Vakuumpumpenanordnung und Gas- und Wasserabscheideeinrichtungen
eingesetzt sind. Die
DE
421 2972 A1 zeigt eine Anordnung zur Klärung von Öl, welches z. B. als Kühl- und/oder
Isolationsmittel in Hochspannungsgeräten wie z. B. Radaranlagen
eingesetzt ist. An den Reinigungskreislauf kann ein Hochspan nungsgerät angeschlossen
und zur Befüllung
mit gereinigtem Öl
von dem Öl
im Kreislauf der Reinigungsanordnung durchströmt werden. Die Reinigungsanordnung
enthält
in einem evakuierbaren Kreislaufsystem eine Umwälzpumpe und verschiedene Filter.
Das Hochspannungsgerät
ist über Ventile
lösbar
an den Kreislauf der Reinigungsanordnung ankoppelbar. Die
DE 100 27002 A1 beschreibt ein
Kühlsystem
für eine
flüssigkeitsgekühlte elektronische
Komponente, wobei ein Kühlmittel über einen Wärmetauscher
und ein Feuchtigkeitsab sorberfilter umgewälzt ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vorteilhafte Vorrichtung
zur Wartung und Temperierung des Kühlmittels für ein Kühlsystem eines elektrischen
Geräts
und eine Verwendung eines solchen Geräts in Verbindung mit einem
elektrischen Gerät
anzugeben.
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Erfindungsgemäße Lösungen sind
in den unabhängigen
Ansprüchen
beschrieben. Die abhängigen
Ansprüche
enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen.
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Bei
der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Wartung und Temperierung eines Kühlmittels in Verbindung mit
einem elektrischen Gerät,
das mit einem eigenen geschlossenen Kühlmittelkreislaufs ausgestatteten
ist, wird in einer Wartungsphase der Kühlmittelkreislauf mit einem
Kühlmittel-Führungssystem der Wartungsvorrichtung
verbunden, der Kühlmittelkreislauf
des Geräts
intern unterbrochen und außerhalb
des Geräts über einen Strömungsweg
innerhalb des Führungssystems
der Wartungsvorrichtung geschlossen. Die Unterbrechung des internen
Kühlmittelkreislaufs
des Geräts kann
z. B. durch Abschalten einer Pumpe innerhalb des internen Kreislaufs,
durch eine Ventilanordnung etc. erfolgen.
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Das
Gerät kann
beispielsweise ein mobiler flüssigkeitsgekühlter Hochfrequenz-Sender sein, bei welchem
das flüssige
Kühlmittel
auch mit elektrischen Leitun gen und Kontakten in Berührung kommen
kann und daher HF-verträglich
und hochspannungsfest sein muß.
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Das
Kühlmittel
darf dabei Komponenten des Geräts
nicht angreifen, insbesondere auch bei Vorhandensein unterschiedlicher
Metalle keine Korrosion begünstigen.
Geeignet hierfür
sind in an sich bekannter Weise reaktionsträge halogenorganische Verbindungen.
Es zeigt sich aber, daß diese
Kühlmittel
durch Wasseraufnahme korrodierend wirken können und durch Aufnahme von
Gas, insbesondere Luft, die Kühlwirkung
nachläßt.
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Das
Kühlmittel-Führungssystem
der erfindungsgemäßen Wartungsvorrichtung
umfaßt
neben Verbindungsleitungen wenigstens einen Gasabscheider, eine
Umwälzpumpe,
eine Temperatur-Stelleinrichtung und einen Trockner-Filter, wobei
diese Komponenten im Strömungsweg
aufeinanderfolgend, vorzugsweise aber nicht notwendigerweise in der
angegebenen Reihenfolge angeordnet sind. Die Kombination dieser
Baugruppen ermöglicht
vorteilhafterweise eine wirkungsvolle Regeneration des Kühlmittels
und des internen Kühlmittelkreislaufs
des Geräts
und zugleich eine Prüfung
der elektrischen Komponenten des Geräts unter definierten Bedingungen.
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Mittels
des Gasabscheiders werden in dem Kühlmittel gelöste oder
als Gasblasen mitgeschleppte Gasanteile von der Flüssigkeit
getrennt. Durch die Umwälzung
des Kühlmittels
mittels der Umwälzpumpe
in dem Kühlmittel-Führungssystem der Wartungsvorrichtung
werden auch im Kühlmittelkreislauf
des Geräts
angesammelte und/oder haftende Gasanteile während eines Wartungsvorgangs
zuverlässig
ausgeschwemmt und in dem Gasabscheider abgeschieden.
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Der
Gasabscheider umfaßt
vorteilhafterweise einen Kühlmittel-Sammelbehälter, der
vorzugsweise auf der Saugseite der Umwälzpumpe angeordnet ist und
in welchem das Kühlmittel
unter niedrigem Druck steht. Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung des
Sammelbehälters
an oder bei einer Position minimalen Kühlmittel-Drucks in dem Führungssystem der
Wartungsvorrichtung. Die Druckabweichung im Sammelbehälter vom
Druckminimum des Führungssystems
beträgt
vorteilhafterweise weniger als 0,2 bar, insbesondere weniger als
0,1 bar vorzugsweise liegt das Druckminimum im Sammelbehälter selbst. Der
geringe Druck begünstigt
das Austreten von gelösten
Gasen und die Strömungsberuhigung
im Sammelbehälter
erleichtert das Aufsteigen von Gasblasen und verringert die Gefahr,
daß diese
in den weiteren Strömungsweg
mitgerissen und wieder dem Kreislauf des Geräts zugeleitet werden. Der Sammelbehälter ist
vorteilhafterweise an einer gegenüber seinen im Strömungsweg
Kühlmittel
zuführenden und
abführenden
Leitungen erhöhten
Position angeordnet, was sowohl hinsichtlich des Druckminimums als
auch für
das Aufsteigen von Gasblasen in der zuführenden Leitung zum Sammelbehälter günstig ist. In
der zuführenden
Leitung kann vorteilhafterweise ein Schauglas zur visuellen Kontrolle
des Gasblasenanteils in dem durchströmenden Kühlmittel vorgesehen sein. Solange
Gasblasen im Kühlmittelstrom
erkennbar sind, ist der Regenerationsvorgang mit Umwälzung des
Kühlmittels
fortzusetzen.
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Bei
Absinken des Kühlmittelniveaus
im Sammelbehälter
kann z. B. über
eine Einfüllöffnung neues Kühlmittel
nachgefüllt
werden. In bevorzugten Ausführung
ist der Sammelbehälter
gegen die Umgebung druckausgeglichen. Aus dem Kühlmittel austretendes Gas kann
aufgefangen werden oder in die Umgebung austreten.
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Der
Sammelbehälter
ist günstigerweise
mit geringer Länge
der zuführenden
Leitung vom Ort der Verbindung des Führungssystems mit dem Kreislauf des Geräts beabstandet.
Hierdurch tritt bei einer Wartungsphase mit gleichzeitigem elektrischem Test-Betrieb
des Geräts
das Kühlmittel
mit erhöhter Temperatur
in den Sammelbehälter
ein, was wiederum das Austreten von Gas aus dem Kühlmittel
an dieser Stelle begünstigt.
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Auf
der Druckseite der Umwälzpumpe
im Strömungsweg
des Kühlmittels
durch das Führungssystem
der Wartungseinrichtung ist ein Trockner-Filter eingefügt, welcher
im Kühlmittel
gelöstes und/oder
in Tröpfchenform
mit umgewälztes
Wasser aufnimmt und so aus dem Kühlmittel
entfernt. Als Filtermaterial ist vorteilhafterweise ein Silikat-Filtermaterial
eingesetzt. Vorzugsweise ist das Filtermaterial auch zur Aufnahme
von Säuren
geeignet, um geringe, im Betrieb des Geräts eventuell entstandene Säureanteile,
insbesondere der besonders aggressiven Flußsäure, aus dem Kühlmittel
zu entfernen. Geeignete derartige Filtermaterialien sind an sich
bekannt.
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Durch
die Aufnahme von Wasseranteilen tritt bei den Trockner-Filtern typischerweise
mit zunehmender Sättigung
ein Anstieg des Strömungswiderstands
auf, was vorteilhafterweise mittels eines Druckdifferenzwächters dazu
benutzt werden kann, einen notwendigen Filterwechsel anzuzeigen.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
enthält
der Trockner-Filter mehrere Teilfilter in parallelen Filterpfaden,
welche über
Ventile einzeln dem Strömungsweg
zuschaltbar sind. Vorzugsweise sind die Ventile automatisch nach
Maßgabe
der Druckdifferenzwächter
betätigt
in der Weise, daß bei Überschreiten
einer Druckdifferenzschwelle an einem Teilfilter dieses von dem
Strömungsweg
abgeschaltet und ein anderes unverbrauchtes Teilfilter zugeschaltet
wird.
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Da
insbesondere bei derartigen Trockner-Filtern in geringem Umfang
aus frischem Filtermaterial Gas austreten kann, ist der Trockner-Filter
vorteilhafter weise ein zweiter Gasabscheider, insbesondere in Form
eines Mikroblasenabscheiders im Strömungsweg nachgeschaltet.
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Die
Temperatur-Stelleinrichtung ermöglicht die
Einstellung von dem Einsatz des Geräts nahekommenden Temperaturbedingungen
des dem Kühlmittelkreislaufs
des Geräts
zugeführten
Kühlmittels, insbesondere
durch Kühlung
des umgewälzten
Kühlmittels.
Zur Kühlung
des Kühlmittels
ist dieses vorteilhafterweise durch einen Wärmetauscher geleitet, dessen
Kaltseite durch eine Kältemaschine
und/oder durch Kühlwasser
aus einer allgemeinen Trinkwasser- oder Brauchwasserversorgung kühlbar ist.
Zur Nutzung beider Kühlquellen
ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß die Kältemaschine einen Verdampfer
aufweist, welcher einen zum Wärmetauscher
geleiteten Kühlwasserstrom
kühlt.
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In
der Temperaturstelleinrichtung ist vorteilhafterweise auch eine
Heizeinrichtung zur Erhöhung der
Kühlmitteltemperatur
vorgesehen, so daß beispielsweise
ein Betrieb von Teilkomponenten des Geräts bei vorgebbaren Temperaturen
erfolgen kann. Kühlung
und/oder Heizen des Kühlmittels
erfolgen vorteilhafterweise in dem Strömungsweg einzeln zuschaltbaren
und dosierbaren parallelen Strömungspfaden
der Temperatur-Stelleinrichtung.
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Die
Erfindung ist nachfolgend anhand eines bevorzugten Beispiels unter
Bezugnahme auf die Abbildung noch eingehend veranschaulicht. Die
Abbildung zeigt schematisch einen Leitungsplan eines Kühlmittel-Führungssystems
einer Wartungsvorrichtung WE zur Wartung und Temperierung eines
Kühlmittels
in Verbindung mit einem Gerät
GE. Das Gerät, z.
B. ein mobiler HF-Sender, enthalte einen Kühlmittelkreislauf KG zur Abführung von
Verlustwärme
von elektronischen Baugruppen EL.
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Der
Kühlmittelkreislauf
KG des Geräts
GE ist über
zwei Leitungskupplungen 58, 59 mit dem Kühlmittel-Führungssystem
der Wartungsvorrichtung für einen
Wartungsvorgang verbindbar. Während
des Wartungsvorgangs ist eine interne Kühlmittel-Umwälzpumpe
des Geräts
GE typischerweise außer
Betrieb und der Kühlmittelkreislauf
KG intern unterbrochen und außerhalb
des Geräts
GE durch einen Strömungsweg
im Führungssystem
der Wartungsvorrichtung WE geschlossen.
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Eine
Umwälzung
des Kühlmittels
erfolgt über eine
Umwälzpumpe 39 in
der Wartungsvorrichtung, welche Kühlmittel aus einem Sammelbehälter 47 durch
das Führungssystem, über die
Leitungskupplung 59 in den Kreislauf des Geräts GE und über die Leitungskupplung 58 zurück in den
Sammelbehälter 47 pumpt.
Für den
Kühlmittelkreislauf
KG des Geräts können zusätzliche
Wege- oder Absperrventile
vorgesehen sein, um gezielt einzelne Teile des Kreislaufes KG für die Durchströmung mit
Kühlmittel
auszuwählen
oder zu sperren. Eine interne Umwälzpumpe im Gerät kann dabei
passiv durchströmt,
vom Kühlmittelstrom
abgetrennt oder auch strömungsunterstützend in
Betrieb gesetzt sein.
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Das
Kühlmittel
strömt
nach dem Austritt aus dem Kreislauf KG des Geräts an der Leitungskupplung 58 und
Eintritt in das Kühlmittel-Führungssystem
der Wartungsvorrichtung zu dem Sammelbehälter 47 und durchströmt dabei
vorteilhafterweise ein Schauglas 57, mittels dessen eine
visuelle Kontrolle möglich
ist, ob in dem Kühlmittelstrom
nennenswerte Anteile an Gasblasen auftreten. Solange dies der Fall ist,
sollte der Wartungsvorgang fortgesetzt werden. Mittels eines Durchflußmengenmessers 52 kann
die Durchflußmenge
kontrolliert werden.
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Der
Sammelbehälter
liegt vorteilhafterweise höher
als die Leitungskupplung 58 und ist vorzugsweise druckausgeglichen
gegen die Umgebung. Der Sammel behälter ist günstigerweise auch erhöht gegen
die Umwälzpumpe 39 angeordnet
und mit dem Eingang der Pumpe 39 bevorzugt so verbunden,
daß ein
Druckminimum in dem Behälter
vorliegt, so daß der
Austritt von Gasen aus dem Kühlmittel
hauptsächlich
in dem Sammelbehälter
stattfindet. Der Austritt von Gasen aus dem Kühlmittel im Sammelbehälter wird
weiter dadurch begünstigt,
daß das
Kühlmittel
am Ausgang des Geräts
GE typischerweise eine hohe Temperatur besitzt. Der Pumpe 39 kann
ein Partikel-Feinfilter 42 vorgeschaltet sein, welcher durch
eine Umwegleitung mit einem Absperrventil 35 überbrückt werden
kann.
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Am
Pumpenausgang ist in an sich üblicher Weise
ein Rückschlagventil
angeordnet und über
ein Strangregulierventil 34 in einer Rückführleitung vom Pumpenausgang
zum Pumpeneingang kann bei ungeregelter Pumpenleistung die Durchflußmenge durch
das Kühlmittel-Führungssystem
und/oder der Druck am Pumpenausgang reguliert werden.
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Vom
Pumpenausgang setzt sich der Strömungsweg
des Kühlmittels
im Führungssystem
fort zu einer Temperatur-Stelleinrichtung TS, welche in zwei parallele
Strömungspfade
aufgeteilt ist, welche über
Magnetventile 3, 4 separat gesperrt oder freigegeben
werden können.
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In
einem ersten Strömungspfad
ist ein primärseitig
von dem Kühlmittel
und sekundärseitig
von Kühlwasser
durchströmter
Wärmetauscher 1 vorgesehen,
wobei der Kühlmittelstrom
durch den Wärmetauscher
und damit das Maß der
Kühlung
des erwärmt
aus dem Gerät
austretenden Kühlmittels
und die Temperatur des Kühlmitttels
am Ausgang der Temperatur-Stelleinrichtung mittels eines als Aufteilventil
eingesetzten Mischventils 2 und eine Bypassleitung vorzugsweise
stufenlos variierbar ist. Das Kühlwasser
wird im regulären
Betrieb im Verdampfer D einer Kältemaschine 70,
von der noch ein Verdichter V, ein Ver flüssiger K und ein Expansionsventil
E eingezeichnet sind, in einem geschlossenen Kühlwasserkreislauf mit einer
Kühlwasserpumpe 66 umgewälzt. Alternativ
und insbesondere als Notkühlung kann über Anschlüsse 68, 69 auch
Wasser aus einer allgemeinen Wasserversorgung als Kühlwasser durch
den Wärmetauscher 1 fließen.
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In
einem zweiten Strömungspfad
der Temperatur-Stelleinrichtung ist eine Heizung 10 eingefügt, wobei
wiederum eine Variierung des Kühlmittelstroms
durch die Heizung über
eine Bypassleitung und ein Mischventil 6 vorgesehen sein
kann, so daß auch über diesen
Strömungspfad
eine vorzugsweise stufenlose Temperatureinstellung möglich ist.
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Die
beiden Strömungspfade
der Temperatur-Stelleinrichtung sind alternativ in den Strömungsweg
schaltbar, z. B. mittels Magnetventilen 3, 4.
Beispielsweise wird der kühlende
erste Strömungspfad gewählt, wenn
im Testbetrieb des Geräts
GE an Leistungselementen der Elektronik Verlustwärme abzuführen und dem Gerät Kühlmittel
auf niedrigerer Temperatur zuzuführen
ist. Der zweite Strömungspfad
mit der Heizung 10 ermöglicht
vorteilhafterweise einen Betrieb des Geräts ohne nennenswerten Anfall
von Verlustwärme,
beispielsweise beim Testen von einzelnen Baugruppen, wobei durch
die Heizung des Kühlmittels
dennoch reale Betriebsbedingungen mit höher temperiertem Kühlmittel
einstellbar sind.
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Nach
Zusammenführen
der beiden Strömungspfade
am Ausgang der Temperatur-Stelleinrichtung kann ein Strangregulierventil 9 vorgesehen sein,
um, vorzugsweise in Verbindung mit einem Durchflußmengenmesser,
den Volumenstrom des Kühlmittels
zu messen.
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Als
nächste
Baugruppe im Strömungsweg des
Kühlmittels
ist ein Trockner-Filter
TF vorgesehen. Dieser enthält
im skizzierten Beispiel drei gleichartige Teilfilter 28, 29, 30 in
parallelen Filterpfaden, welche über
Magnetventile 31, 32, 33 einzeln geöffnet und
geschlossen werden können.
Die Teilfilter entziehen dem Kühlmittel
insbesondere Wasser, vorzugsweise auch ggf. vorhandene Säuren und
wirken zugleich als Partikelfilter. Bei jedem Teilfilter ist ein Differenzdruckwächter 25, 26, 27 vorgesehen, über welchen
der Sättigungsgrad
des jeweiligen Teilfilters überwacht
und z. B. mit einem vorgebbaren Druck-Schwellwert verglichen wird. Bei erreichen
eines solchen Schwellwerts bei einem Teilfilter wird dessen Filterpfad über das
zugeordnete Magnetventil geschlossen und ein Filterpfad mit einem
unverbrauchten Filter geöffnet.
Durch die beidseitige Absperrbarkeit der Teilfilter in ihren Filterpfaden
mit dem Magnetventil 31, 32, 33 und einem
weiteren Absperrventil 16, 17, 18 kann
jedes Teilfilter bei druckbeaufschlagtem Führungssystem einzeln während der
Zuschaltung eines anderen Teilfilter oder nach Sättigung aller Teilfilter ausgewechselt
werden. Über Schaugläser 13, 14, 15 in
den wegführenden
Leitungen der Teilfilter kann visuell beobachtet werden, ob und
in welchem Maß ein
Teilfilter, insbesondere ein neu zugeschaltetes Teilfilter Gasblasen
an das Kühlmittel
abgibt. In der gemeinsamen weiterführenden Leitung des Strömungwegs
kann vorteilhafterweise ein zweiter Gasabscheider 50.,
z. B. in Form eines Mikroblasenabscheiders vorgesehen sein, welcher Gasanteile
im Kühlmittel
abtrennt, bevor das regenerierte und temperatureingestellte Kühlmittel über die Leitungsverbindung 59 wieder
unter Druck dem Kreislauf des Geräts zugeführt ist, um Bauteile zu temperieren,
Gas und Wasser aufzunehmen und auszuschwemmen.
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Über ein
Absperrventil 56, z. B. ein Magnetventil kann das Kühlmittel-Führungssystem der Wartungsvorrichtung
ohne angeschlossenes Gerät
GE zu einem Kreislauf geschlossen werden, z. B. um vor Anschluß eines
Geräts
das im Führungssystem
vorhandene Kühlmittel
zu regenerieren und/oder um nach einer Entleerung des Systems, wofür das Entleerungsventil 60 vorgesehen
ist, alle Leitungen des Systems wieder mit Kühlmittel zu füllen. Ein
Absperrventil 48 in einer Verbindungsleitung vom Filterausgang
zum Sammelbehälter 47 ermöglicht ähnlich dem
Ventil 56 einen Druckausgleich von der zum Gerät führenden
Leitung zum Sammelbehälter.
In Verbindung mit einer Ausgleichsleitung 46 mit gegenüber der
zum Gerät
führenden
Leitung wesentlich geringerem Querschnitt bzw. höherem Strömungswiderstands kann stufenweise
der Druck auf der Leitung zum Gerät reduziert werden. Bei mehreren
parallel verlaufenden und einzeln absperrbaren solchen Leitungen
können
entsprechend mehrere Druckreduzierstufen realisiert werden. Das
Ventil 48 und ggf. weitere Ventile in zu 46 parallelen
Leitungen kann vorteilhafterweise als Magnetventil ausgeführt sein. Eine
einstellbare Druckreduzierung kann auch unter Verwendung eines Mischventils
am Abzweig der Leitung 46 von der zum Gerät durchgehenden
Leitung erfolgen, wobei ein solches Mischventil wie die Mischventile 2, 6 als
Aufteilventil betrieben ist und einen Teil des zugeführten Kühlmittels
zu dem Sammelbehälter
umleitet.
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Weitere
Absperrelemente 37, 40, 41, 43, 49 im
Kühlmittelführungssystem
ermöglichen
in an sich bekannter Weise den Austausch einer Baugruppe ohne Entleerung
des Systems. Rückschlagventile 5, 7, 38 verhindern
unerwünschte
Rückströmungen. Sensoren
für Druck
(P) oder Temperatur (T) ermöglichen
eine detaillierte Kontrolle und Steuerung der Wartungseinrichtung.