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Es
wird ein Kondensatormodul mit verschalteten Kondensatoren beschrieben.
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Aus
US 2003 0067735 A1 sind
Kondensatoren bekannt, deren Deckel zwei Anschlüsse aufweisen, welche mittels
einer Leiterplatte in Reihe miteinander geschaltet sind. Das Kondensatormodul
bzw. die Kondensatoren werden aktiv mittels Ventilatoren gekühlt. Das
Gehäuse
besitzt Öffnungen,
durch die Luft eintreten kann.
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Eine
zu lösende
Aufgabe besteht darin, ein Kondensatormodul zu schaffen, dessen
Elektrolyt-Emissionen für
Personen ein verringertes Gefahrenpotential darstellen.
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Es
wird ein Kondensatormodul mit einem Modulgehäuse vorgeschlagen, wobei das
Modulgehäuse
mindestens einen Kondensator aufweist und zumindest teilweise mit
einem Kondensatoremissionen absorbierenden Medium gefüllt ist.
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Anhand
der Absorption der Kondensatoremissionen durch das Medium wird erreicht,
dass die Kondensatoremissionen nicht nach außen freigesetzt werden können und
damit für
Personen oder für Anwender
keine Gefahr darstellen.
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Es
wird bevorzugt, dass das Medium eine Flüssigkeit ist. Neben der Fähigkeit,
Kondensatoremissionen wie oben genannt zu absorbieren, fördert die
Flüssigkeit
die Wärmekonvektion
im Kondensatormodul und führt
zum Wärmeabbau
der im Kondensatormodul enthaltenen Kondensatoren. Außerdem gerät durch
die Wärmekonvektion
die Flüssigkeit selbst
in Bewegung, welches zur weiteren Wärmeentnahme an den Kondensatoroberflächen, zumindest beim
und unter dem Flüssigkeitsspiegel,
führt.
Damit können
die Kondensatoren bei starker zyklischer Belastung, die zur Erwärmung der
Kondensatoren führt, in
einem optimalen Temperaturbereich betrieben werden.
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Das
Modulgehäuse
ist vorzugsweise mit einer mit dem Medium befüllbaren Kammer verbunden, wobei
die Kammer vorzugsweise als Flasche ausgebildet ist und gemäß einer
Ausführungsform
einen Kanal aufweist, der zumindest in einem Abschnitt parallel
zur Erdanziehungskraft verläuft.
Vorzugsweise ist dies parallel zur Längsachse der Kondensatoren.
Dabei werden die von den Kondensatoren ausgestoßenen Emissionen über die
Kanäle
zur Flüssigkeit
geleitet, welche sich in der Kammer befindet, wo sie vor Austritt
aus dem Kondensatormodul absorbiert werden. Die Flasche kann wahlweise
in das Modul integriert oder auch an das Modul angebracht werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist es vorgesehen, das Kondensatormodul mit einem Filter auszustatten,
der die von den Kondensatoren ausgestoßenen Emissionen ausfiltert.
Vorzugsweise sind im Filter poröse
Membrane integriert.
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Die
beschriebenen Gegenstände
werden anhand der folgenden Ausführungsbeispiele
und Figuren näher
erläutert.
Dabei zeigt:
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1 ein
Kondensatormodul, dessen Innenraum teilweise mit einer Flüssigkeit
gefüllt
ist,
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2 ein
eine Flüssigkeitsflasche
aufweisendes Kondensatormodul,
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3 ein
Kondensatormodul, welches die Merkmale der 1 und 2 kombiniert.
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Es
ist günstig,
Kondensatoren in Serie oder parallel zu schalten, um daraus ein
Ultra-Kondensatormodul zu bilden, welches insbesondere für Anwendungen
mit hohem Spannungsbedarf geeignet ist. Dabei werden Kondensatoren
in ein Gehäuse
eingesetzt, um einfache und sichere Handhabung, Montage, Inbetriebnahme
und Einsatz beim Anwender zu gewährleisten.
Die Verschaltung der Kondensatoren untereinander erfolgt dabei am
besten mittels Verbinder oder Stromschienen.
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Die
Kondensatoren sowie Verbinder oder Stromschienen, welche mehrere
Kondensatoren miteinander verbinden, weisen aber elektrische Widerstände auf,
die während
des zyklischen Auf- und
Entladens der Kondensatoren zur Erwärmung der betroffenen Teile
führen. Über eine
längere
Betriebszeit der Kondensatoren kann dies zur Ermüdung der erwärmten Teile
führen,
insbesondere im Kraftfahrzeug, wo zusätzlich im Motorraum hohe Temperaturen
vorliegen. Ein Aufplatzen oder Aufreißen von Kondensatorumhüllungen
bzw. Gehäusen
und damit ein Auslaufen der in den Kondensatoren enthaltenen organischen
Elektrolyte wird daher wahrscheinlicher. Ebenfalls kann durch Fehlbedienung, Überspannung, Übertemperatur,
Fertigungsfehler, oder auch am Ende der Lebenszykluszeit der Kondensatoren nicht
ausgeschlossen werden, dass der organische Elektrolyt der Kondensatoren
ausläuft.
Die dabei erzeugten Elektrolyt-Emissionen
stellen wegen ihrer Brennbar- und Explosionsfähigkeit ein Gefahrenpotenzial
sowie mögliche
Gesundheitsschäden
für Personen
dar, die in direkten Kontakt mit den Emissionen kommen. Durch die
beschriebene Vorrichtung werden diese Ef fekte vorteilhafterweise
vermieden und das Gefahrenpotential für Personen erheblich reduziert.
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1 zeigt
ein Kondensatormodul 1 mit einem Modulgehäuse 2,
in dem mehrere Kondensatoren 3 angeordnet und mittels einer
Leiterplatte 11 miteinander elektrisch verschaltet sind.
Die Wandstärke des
Modulgehäuses
wird vorzugsweise homogen gehalten, da dies spritztechnisch einfacher
zu realisieren ist. An der Leiterplatte 11 können nach
außen führende elektrische
Kontakte bzw. Kabel 12 befestigt sein. Im Bodenbereich
des Modulgehäuses 2 befindet
sich eine Kondensatoremission absorbierende Flüssigkeit 5, welche
zumindest mit den Bodenbereichen der Kondensatoren 3 bzw.
Kondensatorgehäusen 4 in
Berührung
steht. Das Modulgehäuse 2 hat einen
mit Vertiefungen 6 versehenen Boden. Mit dieser Maßnahme lässt sich
ein größeres Flüssigkeitsreservoir
bereitstellen. Das Modulgehäuse
ist ferner mit einem Filter 7 ausgestattet, der vorzugsweise oberhalb
der Kondensatoren am Modulgehäuse
befestigt ist.
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Es
können
mehrere Kondensatormodule 1 mittels in den jeweiligen Modulgehäusen 2 eingesetzten
Schraubverbindungen 13 oder Spanner (nicht gezeigt) miteinander
verbunden werden. Es wird bevorzugt, dass das Modulgehäuse dicht
bzw. nach außen
abgedichtet ausgeführt
ist, bis auf den Filter bzw. auf die zu 2 beschriebene
Waschflasche 8.
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Zwischen
den im Modulgehäuse
enthaltenen Kondensatoren können
Stege oder Trennplatten bereitgestellt sein, damit sich die Kondensatoren
nicht in denselben Flüssigkeitsbecken
befinden und damit auch nicht das gleiche Potential aufweisen.
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Als
Flüssigkeit
bieten sich eine Vielzahl von Materialien an. Als Basismaterial
bzw. Hauptkomponente der Flüssigkeit,
d.h., die Komponente, die den größten Massenanteil
der Flüssigkeit
ausmacht, kommen organische Lösungsmittel,
flüssige
Salze aber vor allem auch Wasser in Betracht, das durch seine einfache
Verfügbarkeit
von Vorteil ist. Das Wasser ist dabei vorzugsweise deionisiert.
Die in den Kondensatoren eingesetzten Elektrolyte sind nämlich so
polar, dass sie sich sehr gut in wässerigen Medien lösen. Ferner
ist die auf Wasser basierende Flüssigkeit
gesundheitsunschädlich,
weder brennbar noch explosionsfähig
und damit für
Personen ungefährlich.
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Vorzugsweise
wird Acetonitril, welches als Kondensatorelektrolyte eingesetzt
wird, in jedem beliebigen Verhältnis
mit deionisiertem Wasser gemischt. Mit dem Zusatz von dissoziationsfähigen Substanzen,
wie beispielsweise flüssige
Salze, Hydroxide, Säuren
und/oder Gemischen mit anderen Lösemitteln,
lässt sich
ein Gefrierpunkt der Flüssigkeit
von bis zu –40°C bis –50°C einstellen.
Flüssige Salze
sind dabei insbesondere ionische Flüssigkeiten, die besonders hohe
Wärmeleitfähigkeiten
aufweisen. Organische Lösungsmittel,
wie beispielsweise Glykol, Karbonate oder Gamma-Butrolacton (Butyrolacton),
können
einen weiten Temperaturbereich aufweisen, in dem sie flüssig sind,
und erlauben die Vermischung mit den Elektrolyten aus den Kondensatoren.
So können
Mischungen von Wasser mit Glykol, wie sie auch vom Kühlwasserkreislauf
eines Kraftfahrzeugs bekannt sind, eingesetzt werden. Andere organische
Substanzen, wie beispielsweise Öle oder
Paraffine, die bei Temperaturen unterhalb von 30°C gefrieren, können ebenfalls
verwendet werden, da sie durch die Abwärme der Kondensatoren aufschmelzen
und somit einen flüssigen
Wärmetransport
erreichen. Diese Materialien haben auch den Vorteil, dass sie während der
Montage nicht zu Geräuschen
von hin- und herschwap pender Flüssigkeit führen, was
anderenfalls den Anwender des Kondensatormoduls stören könnte.
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Es
wird bevorzugt, dass die Flüssigkeit
zusätzlich
Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenmonoxid absorbiert.
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Flüssigkeiten
auf der Basis von Wasser erweisen sich als besonders vorteilhaft,
wenn sie in einen Brand involviert werden. Wird das Kondensatormodul
von außen
beflammt, kann sich die Temperatur der Flüssigkeit bis zum Siedepunkt
erhöhen.
Weitere Wärmezufuhr
von außen
führt zur
Verdampfung der Flüssigkeit.
Die Kondensatoren erreichen aber erst dann die gleiche oder eine
höhere
Temperatur als den Flüssigkeitssiedepunkt,
wenn die Flüssigkeit verdampft
ist. Dies bewirkt eine in Abhängigkeit
von der eingesetzten Flüssigkeitsmenge
erhebliche Verzögerung
der Entflammung oder des Schmelzens der Kondensatoren in einem Feuer.
Durch die Verdampfung der Flüssigkeit
kann also eine erhebliche Kühlwirkung
der Kondensatoren bzw. des gesamten Kondensatormoduls erreicht werden.
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Neben
der Absorption der Elektrolyt-Emissionen durch die Flüssigkeit
kann der Wärmetransport zwischen
den Kondensatoren und dem Modulgehäuse bzw. der Wärmeabtransport
von den Kondensatoren zum Modulgehäuse erheblich verbessert werden. Aufgrund
der Flüssigkeitsbewegungen
im mobilen Einsatz des Kondensatormoduls, beispielsweise in einem
Kraftfahrzeug, sowie anhand der durch die Temperaturverteilung der
eingesetzten Materialien (insbesondere Flüssigkeiten) unterstützten Konvektion
in der Gasphase oberhalb des Flüssigkeitsspiegels,
wird auch eine zusätzliche
Abkühlung
der Kondensatoren oberhalb des Flüssigkeitsspiegels erreicht.
Der Wärmetransport
kann zusätzlich
durch eine kaminförmige
Hülle um
den Kondensator herum verbessert werden. Die Hülle ist vorzugsweise nach oben
hin verjüngt.
Mit der Kaminform lässt
sich ein schnellerer Luft- bzw. Gasstrom an der Kondensatoraußenseite
erzeugen, womit eine Abkühlung
der Kondensatoroberfläche
bewirkt wird.
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Eine
besonders effiziente Absorption der Kondensatoremissionen wird dadurch
erreicht, wenn der Flüssigkeitsspiegel
oberhalb einer Kondensatoröffnung
liegt, aus der die Emissionen entweichen. Dies kann dadurch erreicht
werden, dass das Modulgehäuse
bis zu den oberen Stirnseiten der Kondensatoren mit der Flüssigkeit
gefüllt
wird. Sollte dies jedoch nicht der Fall sein, schlagen sich die
Kondensatoremissionen auf der Innenwand des Modulgehäuses nieder,
fließen
in Richtung des Bodens und werden wieder von der Flüssigkeit
aufgenommen. Das Freisetzen der Kondensatoremissionen oberhalb des Flüssigkeitsspiegels
hat den Vorteil, dass weniger Flüssigkeit
in das Modulgehäuse
eingesetzt werden muss und damit ein geringeres Kondensatormodulgewicht
erreicht wird.
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Falls
bei einem Unfall das Modulgehäuse
angebrochen wird, ist es vorteilhaft, wenn möglichst wenig Flüssigkeit
ausläuft.
Dabei werden vorzugsweise Mischungen verwendet, die eine höhere Viskosität als Wasser
aufweisen, wie beispielsweise Wasser mit Glykol. Durch eine geeignete
Einstellung der Viskosität
kann die Auslaufgeschwindigkeit der Flüssigkeit reduziert werden.
Zu diesem Zweck wird die Flüssigkeit
vorzugsweise mit dem Zusatz von feinen Feststoffpartikeln, Suspensionen,
Pasten oder Dispersionen angereichert. Flüssigkeiten mit thixotropem
oder strukturviskosem Fließverhalten
sind dabei besonders günstig.
Da eine erhöhte
Viskosität
jedoch den Wärmetransport
reduziert, wird das Optimum zwischen minimiertem Flüssigkeitsauslauf
und maximaler Kühlwirkung
eingestellt.
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Als
weiterer Zusatz zu den oben genannten Flüssigkeiten werden vorzugsweise
bakterien- und keimabtötende
Substanzen verwendet, wie z. B. Benzalkoniumchlorid, Silber-, Kupfer- und/oder Zinksalze.
Hiermit wird vermieden, dass sich über die Einsatzdauer des Moduls
Keime oder Algen an den Verbindern oder den Kondensatoren bilden
und die Eigenschaften der Flüssigkeit
sowie des gegebenenfalls eingesetzten Filters negativ beeinflusst
werden.
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Eine
kennzeichnende und visuell erkennbare Färbung der Flüssigkeit,
die eine Unterscheidung zu anderen im Automobil vorliegenden Flüssigkeiten, wie
beispielsweise Batterie-Elektrolyt,
Kühlflüssigkeit,
Bremsflüssigkeit,
Benzin oder Öl,
erlaubt, hilft vorteilhafterweise im Leckagefall des Kondensatormoduls
den Ursprung der Flüssigkeit
sicher zu bestimmen.
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Es
wird bevorzugt, dass die Kondensatoren bzw. die Kondensatorgehäuse 4 und
die Verbindungen zwischen den Kondensatoren, wie beispielsweise
die Leiterplatte 11, mit einer vor Wasser isolierenden,
einige Zehntel Millimeter starken Außenschicht überzogen werden. Die Außenschicht
ist als Schutzlack ausgeführt,
welcher Kunststoffmaterialien wie beispielsweise Polymere, flourierte
Polymere bzw. Polyimide enthält.
Dadurch wird verhindert, dass eine direkte Flüssigkeitsverbindung zwischen
den jeweiligen Kondensatoren oder den Verbindern entsteht, die insbesondere
mehr als 1,2 V beträgt.
Die Elektrolyse des Wassers bzw. der Flüssigkeit kann damit nicht so
leicht einsetzen.
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Beim
schlagartigen Öffnen
eines Kondensators oder bei der Diffusion eines Gases aus dem Kondensator
kann sich der Druck im Kondensatormodul erhöhen. Um diesen sicher abzubauen,
kann ein Druckdurchlassfilter 7 in das Modulgehäuse 2 eingesetzt
werden, durch das aber keine Flüssigkeit
eindringen kann. Damit jedoch der Druck gut abgebaut werden kann,
ist es sinnvoll, den Filter oberhalb des Flüssigkeitsspiegels anzuordnen,
also in einer Position, wo die aus den Kondensatoren entweichten
Gase vollständig
abgefangen werden können.
Dabei ist zu beachten, dass sich der Flüssigkeitsspiegel im Modulgehäuse je nach
Einbaulage des Kondensatormoduls einstellt. Der Filter weist eine
der Umgebung außerhalb
der Kondensatormoduls ausgesetzte Seite auf und kann mit einem Gewinde
ausgebildet sein, welches in ein entsprechendes Loch des Modulgehäuses eingeschraubt
wird. Es wird bevorzugt, dass der Filter eine poröse Kunststoffmembran
aufweist, welche zumindest teilweise aus Teflon oder anderen hydrophoben,
chemisch weitgehend inerten Materialien besteht.
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Der
Einsatz von mehreren, im Filter übereinander
angeordneten Membranen mit unterschiedlichen Porengrößen hat
den Vorteil, dass grobe Partikel aus den aufgeplatzten Kondensatoren
erst festgehalten werden und anschließend, mittels weiterer Membrane
mit kleineren Poren, die feineren Partikel oder Elektrolyte ausgefiltert
werden. Das ist besonders günstig,
wenn das Modulgehäuse
nicht bis an die oberen Stirnseiten der Kondensatoren mit der Flüssigkeit
gefüllt
ist. Hier besteht nämlich
die Möglichkeit,
dass die Kondensatoremissionen erst auf den Filter treffen, und
später
von der Flüssigkeit
absorbiert werden.
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Zur
Unterstützung
des Wärmetransports
von den Kondensatoren 3 zum Modulgehäuse 2 wird bevorzugt,
dass die bodenseitigen Bereiche der Kondensatoren in eine wärmeleitfähige Vergussmasse oder
Kleber eingetaucht sind. Diese Vergussmasse weist vorzugsweise Substanzen
auf, welche Kondensatoremissionen beson ders gut absorbieren. Materialien
der genannten Art können
dabei zum Einsatz kommen. Auch wenn der Bodenbereich des Modulgehäuses mit
einer wärmeleitfähigen Vergussmasse gefüllt ist,
kann der übrige
Innenraum des Modulgehäuses 2 mit
einer Kondensatoremission absorbierende Flüssigkeit gefüllt werden.
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2 zeigt
ein Kondensatormodul, dessen Modulgehäuse 2 mit einer mit
einer Flüssigkeit
befüllbaren
Kammer 8 verbunden ist. Die Kammer 8 weist einen
Kanal 9 auf, der teilweise mäanderförmig verläuft und mit zwei, mittels einer
Trennwand 14 teilweise getrennten Kanalabschnitten ausbildet
ist. Der Kanal mündet
vorzugsweise im oberen Bereich des Kondensatormoduls in den Innenraum
des Modulgehäuses
und weist eine nach außen
gerichtete Öffnung
auf, an die ein Entweichungsschlauch oder Befüllungsschlauch 10 befestigt
werden kann. Die nach außen
gerichtete Öffnung
der Kammer und die Mündung
in den Innenraum des Modulgehäuses
sind also mittels des Kanals miteinander verbunden. Der Kanal verläuft zumindest
teilweise senkrecht zur Längsachse
mindestens eines Kondensators.
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Die
Kammer 8 wird teilweise mit einer Flüssigkeit 5 gefüllt, sodass
sie auch als Flüssigkeitsflasche
oder Waschflasche 8 bezeichnet wird. Die Flüssigkeitsflasche 8 ist
derart mit dem Innenraum des Modulgehäuses 2 verbunden,
dass die von den Kondensatoren ausgestoßenen Emissionen auf dem Weg
nach außen
die in der Flasche befindliche Flüssigkeit passieren müssen. An
dieser Stelle werden sie absorbiert, sodass jenseits dieser Flüssigkeit
auf der nach außen
offenen Seite der Flasche keine schädlichen Gase oder Emissionen
nach außen
freigesetzt werden.
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Um
das Gewicht des Kondensatormoduls möglichst gering zu halten, wird
bevorzugt, dass lediglich die Kammer bzw. der Kanal 9 teilweise
mit der Flüssigkeit
gefüllt
werden, nicht aber der Innenraum des Modulgehäuses. Jedenfalls werden die
Emissionen von der in der Flüssigkeitsflasche
befindlichen Flüssigkeit
aufgehalten bzw. absorbiert. Solange der Füllstand in der Flüssigkeitsflasche
gewährleistet
ist, ist ein so ausgebildetes Kondensatormodul wartungsfrei.
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Ein
mit einer Flüssigkeitskammer
ausgestattetes Kondensatormodul hat den Vorteil, dass beispielsweise
keine wartungsaufwändigen
Aktivkohlefilter erforderlich sind, um die Kondensatoremissionen
unschädlich
zu machen oder auszufiltern.
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3 zeigt
ein Kondensatormodul 1, bei dem die Merkmale der mit den 1 und 2 vorgestellten
Kondensatormodule kombiniert werden. Dabei wird der Innenraum des
Modulgehäuses 2 teilweise
mit einer Flüssigkeit
gefüllt.
Die Befüllung
kann unter Druck, beispielsweise mit einer Pumpe, erfolgen, sodass
die Flüssigkeit
durch den Kanal 9 der Flüssigkeitsflasche 8 bis
in den Innenraum des Modulgehäuses 2 forciert
wird. Da in diesem Falle jedoch der ganze Kanal 9 mit der
Flüssigkeit
befüllt sein
würde,
empfiehlt es sich, den Anteil der Flüssigkeit im Kanal unter Verwendung
einer Luftpumpe zu reduzieren, in dem diese Flüssigkeit mittels eines von der
Luftpumpe erzeugten, erhöhten
Luftdrucks weiter in den Innenraum des Modulgehäuses gedrückt wird. Mittels des senkrecht
verlaufenden Abschnitts des Kanals wird ein Auslaufen der Flüssigkeit
aus dem Modulgehäuse
und der Flüssigkeitsflasche,
insbesondere wenn das Kondensatormodul in Bewegung ist und die Flüssigkeiten
hin- und her schwappen, weitestgehend vermieden.
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Für eine einfache
Befüllung
des Kondensatormoduls kann das Modulgehäuse mit Öffnungen ausgebildet sein,
welche von außen mit
Kunststoffschrauben, Verschweißungen
oder mit elastischen Stöpseln
verschließbar
sind.
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Die
im Innenraum des Modulgehäuses 2 befindliche
Flüssigkeit
hat den Vorteil, dass die von den Kondensatoren ausgestoßenen Emissionen
unmittelbar am Ort der Emissionen bzw. am Ort der aufgeplatzten
Kondensatoren von der Flüssigkeit
absorbiert werden können.
Sollte jedoch die Öffnung
eines beschädigten
Kondensators oberhalb des Flüssigkeitsspiegels
liegen, können
die Emissionen immer noch von der in der Flüssigkeitsflasche 8 befindlichen Flüssigkeit
absorbiert werden. Die im Innenraum des Modulgehäuses 2 befindliche
Flüssigkeit
hat des Weiteren noch den Vorteil, dass sie den Wärmeabtransport
von den Kondensatoren fördert.
Es ist jedoch nicht notwendig, den Innenraum des Modulgehäuses 2 anhand
einer Befüllung über die
Flüssigkeitskammer 8 vorzunehmen.
Die Flüssigkeit
kann stattdessen direkt in den Innenraum durch eine Öffnung des
Modulgehäuses 2 eingeführt werden,
wobei die Öffnung
anschließend
wieder versiegelt wird. Die zusätzliche
Befüllung
der Kammer 8 erfolgt dann durch die nach außen gerichtete Öffnung der
Kammer bzw. mittels des an der Öffnung
befestigten Befüllungsschlauchs 10.
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- 1
- Kondensatormodul
- 2
- Modulgehäuse
- 3
- Kondensator
- 4
- Kondensatorgehäuse
- 5
- Flüssigkeit
- 6
- Vertiefung
des Modulgehäuses
- 7
- Filter
- 8
- Flüssigkeitsflasche
- 9
- Kanal
- 10
- Entweichungsschlauch
- 11
- Leiterplatte
- 12
- Kontaktkabel
- 13
- Schraubverbindung
- 14
- Trennwand