DE102007055910A1

DE102007055910A1 - Kühlmantel insbesondere für elektrische Maschinen sowie Herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE102007055910A1
Application number: DE102007055910A
Authority: DE
Inventors: Joachim Braun; Peter Lemke
Original assignee: Baumueller Nuernberg GmbH
Current assignee: Baumueller Nuernberg GmbH
Priority date: 2007-10-25
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-04-30
Also published as: WO2009053496A2; WO2009053496A3; US20110083834A1; EP2203969A2

Abstract

Kühlmantel und/oder Wärmetauscher zur Anlage an zu kühlende Festkörpererzeugnisse, insbesondere an elektrische Maschinen mit innerhalb oder außerhalb eines Stators rotierendem Läufer oder an Reaktoren oder Behältnisse, mit einer Innen- und Außenwandung, welche zwischen sich einen Strömungshohlraum begrenzen, der mit Ein- und Auslassmitteln für Kühlmedium und Leitmitteln zur Ausbildung und/oder Begrenzung wenigstens eines Strömungsweges für das Kühlmedium zwischen der Innen- und Außenwandung von den Einlass- und zu den Auslassmitteln versehen ist, wobei die Außen- oder Innenwandung mit einer glatten oder weitgehend geglätteten Außenseite zur satten Anlage an das Festkörpererzeugnis ausgebildet ist, wobei einander zugewandte innere einzelne Flachstellen der Innen- und Außenwandung innerhalb ihrer Umrandungen über einzelne Fügestellen und/oder längliche Fügeabschnitte dauerhaft verbunden sind, wobei zwischen den Fügestellen und/oder länglichen Fügeabschnitten Durchgänge für das Kühlmedium verbleiben, und auf einer oder mehreren Außenseiten oder einem Außenmantel der Innen- oder Außenwandung eine oder mehrere Erhebungen und Vertiefungen abwechseln.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlmantel und/oder Wärmetauscher, welcher zur Anlage an zu kühlende Gegenstände fester Gestalt (Festkörpererzeugnisse) wie z. B. elektrische Maschinen, Reaktoren oder Behältnisse, vorgesehen sind. Der Kühlmantel/Wärmetauscher weist eine Innen- und Außenwandung auf, welche zwischen sich einen Strömungs-Hohlraum begrenzen. Dieser ist mit Ein- und Auslassmitteln für Kühlmedium und mit Leitmitteln zur Ausbildung und/oder Begrenzung wenigstens eines Strömungsweges für das Kühlmedium versehen, wobei sich der Strömungsweg zwischen der Innen- und Außenwandung von den Einlassmitteln zu den Auslassmitteln erstreckt. Die Innenwandung weist eine glatte oder weitgehende geglättete Außenseite auf, die dem Festkörpererzeugnis bzw. zu kühlenden Gegenstand zur satten Anlage daran zugeordnet ist. Insbesondere im Hinblick auf elektrische Maschinen mit Außenläufer und Innenstator liegt auch das umgekehrte Anordnungsprinzip im Rahmen der Erfindung, das heißt, die Außenwandung des Kühlmantels besitzt eine glatte Ober- beziehungsweise Außenfläche zur satten Anlage an zu kühlende Gegenstände fester Gestalt (Festkörpererzeugnisse).
Gehäuse für Aggregate fester Gestalt, welche von Kühlspiralen oder Kühlkanälen durchsetzt sind, lassen sich nur mit großem Aufwand aus rostfreiem Chrom-Nickelstahl fertigen. Die Fertigung der Gehäuse ist aufwendig, und die Festkörperaggregate, beispielsweise Elektromotoren, müssen in solche Gehäuse eingeschrumpft werden. Das Einbringen von Kühlschläuchen oder -rohren ist zeitaufwendig. Zu dem müssen die Schläuche oder Rohre noch mit geeigneten Anschlüssen für die Flüssigkeitszufuhr versehen werden, wozu in aller Regel Schläuche oder Verschraubungen mit Dichtungen eingesetzt werden. Beide Lösungen können durch Alterung undicht werden. Vielfach ist eine Reparatur eines solchen Kühlsystems, wenn beschädigt oder undicht, in vielen Fällen nur schwer oder nicht mehr möglich.
Elektromotoren, bei denen das Statorblech von einem doppelwandigen Kühlmantel mit Strömungskanälen für Kühlmedium im Inneren umfasst ist, sind beispielsweise von dem Hersteller „PHASE MOTION CONTROL", 16141 Genua, Italien unter der Typenbezeichnung „Squid Torque Motor" bekannt. Ein innerer Gehäusemantel ist unmittelbar auf das Statorblechpaket aufgeschrumpft und mit nach radial außen vorspringenden Trennstegen versehen, die schraubenlinienartig umlaufen. Entsprechend verlaufen die dazwischen verbleibenden Kühlkanäle auch schraubenlinienartig. Ein äußerer Gehäusemantel deckt diese Kühlkanäle nach außen ab.
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem doppelwandigen Kühlmantel der gattungsgemäßen Art den Wärmeaustausch zwischen der dem zu kühlenden Gegenstand zugeordneten Anlageseite und der Außenumgebung zu verbessern. Zur Lösung wird auf den im Anspruch 1 angegebenen Kühlmantel oder Wärmetauscher verwiesen. Ein Herstellungsverfahren für einen solchen Kühlmantel oder Wärmetauscher ist im Anspruch 13 angegeben. Der Anspruch 27 gibt eine Kühl-Anordnung mit einer elektrischen Maschine und einem erfindungsgemäßen Kühlmantel oder Wärmetauscher an. Vorteilhafte, optionale Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß sind zwischen der Innen- und Außenwandung innerhalb ihrer Ränder lediglich punktuell dauerhafte Verbindungsstellen oder -linien bzw. -abschnitte ausgebildet, zwischen welchen für Platz zur Schaffung von Kühlmittel-Strömungsdurchgängen im Strömungshohlraum gesorgt ist. Daraus resultiert eine nicht-glatte, der Außenumgebung zugewandte Außenseite der Außenwandung. Erhebungen, welche durch die Strömungsdurchgänge gebildet sind, wechseln mit Vertiefungen, welche mit den Fügestellen bzw. Fügeabschnitten zusammenfallen, ab. So verläuft der Außenmantel der Außenwandung beispielsweise gegenüber einer Grundebene oder einem Grundkreis oder -zylinder des Kühlmantels über die abwechselnden Erhebungen und Vertiefungen uneben bzw. wellig. Dadurch ist die mit der Außenumgebung in Kontakt stehende Außenfläche des Kühlmantels oder Wärmetauschers erheblich vergrößert, was die Effektivität des Wärmeübergangs verbessert. Relevant ist jedoch vor allem die Kühlung der glatten Mantelfläche von innen.
Bei der erfindungsgemäßen Kühlanordnung mit einer elektrischen Maschine und einem Kühlmantel/Wärmetauscher wird der Vorteil erzielt, gehäuselose bzw. vollgeblechte Statoren kühlen zu können, ohne dafür ein tragendes Gehäuse herstellen oder Kühlschläuche oder -rohre in den Stator einziehen zu müssen. Indem bei der Erfindung der Kühlmantel keinen mechanisch tragenden Bestandteil der Motorkonstruktion darstellt, ist eine vollständige Funktionstrennung zwischen mechanischer Tragstruktur und Kühlung gegeben. Dadurch kann die Wandstärke des Kühlmantels bzw. von dessen Innen- so wie Außenwandung einerseits sehr dünn gewählt werden, wodurch auch die Verwendung hochwertiger Materialien wie z. B. rostfreier Chrom-Nickelstahl wirtschaftlich ist. Insbesondere bei Verwendung dieses Werkstoffes lassen sich zweckmäßig Dicken von 0,3–2,0 mm, beispielsweise 0,8 mm für die Innen- und Außenwände realisieren. Andererseits kann, wenn eine Flüssigkeitskühlung nicht benötigt wird, das gesamte Kühlsystem durch einfaches Weglassen oder Entfernen des Kühlmantels weggelassen werden.
Im Rahmen der Erfindung lassen sich die Fügestellen und/oder Abschnitte mit Heften bzw. Schweißen oder Löten herstellen. Bei Schrauben und/oder Nieten sind noch zusätzliche Dichtmaßnahmen geboten. Das Heften bzw. Schweißen ist in sofern vorteilhaft, als sich dazu Schweißroboter einsetzen lassen, welche zur Anbringung der Schweiß- bzw. Heftstellen vorab entsprechend programmiert sein können. Diese Programmierung kann beispielsweise derart vorgenommen sein, dass sich eine Anordnung der Fügestellen und/oder Fügeabschnitte ergibt, woraus sich mäanderartige Strömungswege des Kühlmediums, gegebenenfalls mit Verwirbelungen, ergeben. Ferner ergibt sich auf der Basis der Erfindung die vorteilhafte Ausgestaltung, dass die Vertiefungen und/oder Strömungsleitmittel baulich einfach mit den Fügestellen und/oder Fügeabschnitten realisiert sind.
Damit der Kühlmantel mit seiner Innenwandung satt an den zu kühlenden Festgegenstand anliegen kann, ist eine Formanpassung an den Festgegenstand notwendig, was beispielsweise mit einer Umformeinrichtung bewerkstelligt werden kann. In diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig, Montage- und/oder Fixiermittel an oder in der Außen- und/oder Innenwandung des Kühlmantels auszubilden, um die Befestigung an der Umformeinrichtung zu ermöglichen.
Zur Verbesserung des Wärmeübergangs kann der Kühlmantel/Wärmetauscher innen und/oder der zu kühlende Festkörpergegenstand auf seinem Außenmantel oder -seite mit einer den Wärmeübergang verbessernden Beschichtung versehen werden. Vorzugsweise besteht diese Beschichtung aus einem viskoelastischem Polymer, das beispielsweise auf die Innenseite des Kühlmantels aufgetragen wird und nach der Montage des Kühlmantels kleine Unebenheiten sowohl der Außenoberfläche des zu kühlenden Erzeugnisses als auch der Innenoberfläche des Kühlmantels ausgleicht. Derartige Beschichtungen lassen sich mit auf dem Markt erhältlichen Produkten, wie beispielsweise ISO-PUR K 750/HDI23-2000 (transparentes, ungefülltes, kalthärtendes 2-Komponenten-Polyurethangießharz), angeboten von der Firma ISO-ELEKTRA GmbH, Im Mühlenfeld 5, 31008 Elze. Eine alternative PU-Vergussmasse lässt sich mit dem Produkt Rhenatech^® PU 4714 FR mit Härter PU4900, angeboten von der Firma Beckelectrical insulation GmbH, Goßmannstraße 105, 20539 Hamburg, verwirklichen. Zweckmäßig werden derartige polymere viskoelastische Beschichtungen zur Verbesserung des Wärmeübergangs vor der Montage des Kühlmantels auf der Außenfläche des zu kühlenden Festköpererzeugnisses und/oder der Innenseite des Kühlmantels aufgebracht. An sich bekannt ist bereits die Verwendung von Wärmeleitpasten oder -klebstoffen. Nachteilig sind hierbei die Handhabung bei der Montage und die Verschmutzungsgefahr, insbesondere wenn das zu kühlende Erzeugnis samt Kühlmantel abschließend lackiert werden soll. Ein weiterer Vorteil mit der die Polymerbeschichtung umfassenden Ausbildung besteht darin, einen bereits montierten Kühlmantel/Wärmetauscher im Falle einer eventuellen Beschädigung einfach wieder vom Motor oder vom sonstigen zu kühlenden Erzeugnis abzunehmen und zu tauschen.
Zum Ausgleich von Unebenheiten, Zwischenräumen, freien Stellen oder der Gleichen zwischen der Außenseite der Kühlmantel-Innenwandung der gegenüberliegenden Außenseite des zu kühlenden Erzeugnisses besteht eine ergänzende oder alternative Möglichkeit darin, Vergussmasse bzw. Tränkharz, welche ohnehin für das Statorblech oder die Statorwicklungen verwendet werden, zu dem genannten Zweck mit zu benutzen. Ein zusätzliches Beschichtungsmaterial für die genannten Zwecke könnte dann entfallen. So lange die Vergussmasse für den Stator oder dessen Wicklungen oder für ein sonstiges gleichartiges Erzeugnis noch nicht voll ausgehärtet ist, lässt sich im Rahmen der Erfindung zweckmäßig der Kühlmantel montieren. Dann entsteht automatisch eine Formanpassung der Vergussmasse an noch vorhandene Unebenheiten, freie Zwischenräume usw. zwischen den gegenüberliegenden Außenseiten des Kühlmantels und des zu kühlenden Erzeugnisses. So lange diese Vergussmasse bzw. das für Elektrobleche und Wicklungen von Statoren übliche Tränkharz noch nicht ausgehärtet ist, kann es sich zwischen den gegenüberliegenden Anlageflächen von Kühlmantel und zu kühlendem Erzeugnis ausbreiten und dadurch etwa noch vorhandene Wärmeübertragungslücken schließen. Bei Verwendung der ohnehin für das zu kühlende Erzeugnis wie Motorstator eingesetzten Vergussmasse kann der bei der zuvor erläuterten Erfindungsausbildung – Anbringen einer polymeren viskoelastischen Zwischenbeschichtung – dafür zusätzlich notwendige Arbeitsschritt entfallen. Unebenheiten auf dem Umfang des zu kühlenden Erzeugnisses wie z. B. Elektromotor und/oder an der Außenseite der Innenwandung des Kühlmantels lassen sich auch mit Vergussmasse ausfüllen bzw. ausgleichen.
Es ist auch eine Erfindungsausbildung denkbar, wonach vor dem oben angesprochenen Tränkprozess der Kühlmantel montiert wird. Dadurch kann das Tränkharz zwischen dem Kühlobjekt, beispielsweise Stator, und dem Kühlmantel eindringen. Das Eindringen läßt sich gegebenenfalls noch dadurch verbessern, dass der Kühlmantel im Inneren jeder kreisförmigen Schweißung zum Verbinden von Innen- und Außenblech eine Bohrung aufweist, durch die auch an der Mantelfläche selbst beim Tränken Harz eindringen beziehungsweise Luft entweichen kann.
Weitere Einzelheiten, Merkmale, Merkmalskombinationen, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung sowie aus den Zeichnungen. Diese zeigen in:
1 in einer schematischen Querschnittsdarstellung die Grundstruktur eines erfindungsgemäßen Kühlmantels
2 eine Draufsicht auf einen noch ebenen Kühlmantel gemäß Erfindung
3 in perspektivischer Darstellung den bereits teilweise auf einem inneren, rohrartigen Umformkern umgeformten Kühlmantel,
4 in perspektivischer Darstellung den leicht welligen Außenmantel der Kühlmantel-Außenwandung,
5 den über einen zu kühlenden Stator eines Elektromotors übergezogenen, fertig gestellten Kühlmantel.
Gemäß 1 weist der erfindungsgemäße Kühlmantel eine Innenwandung 1 und eine Außenwandung 2 auf, die zu einander konzentrisch bzw. koaxial angeordnet und über einzelne, beispielsweise kreisförmige Schweißstellen 3 punktuell bzw. an diskreten Stellen verbunden sind. Relativ zum kreiszylindrischen Verlauf der Innenwandung 1 verläuft die Außenwandung 2 wellig bzw. mit teilweise nach radial außen versetzter Kontur und nach innen den Außenmantel der Innenwandung 1 im Bereich der Schweißstellen 3 tangierend. So ergeben sich für die Außenwandung 2 auf ihrem Außenmantel im Bereich der Schweißstellen 3 Täler bzw. Vertiefungen 4, wo zwischen sich nach radial außen versetzte Erhebungen 5 in konvex gewölbter Form erstrecken. Wie entsprechend der axialen Stirnansicht der 1 gestrichelt angedeutet, sind sowohl in achsparalleler als auch in Umfangsrichtung Schweißstellen 3, 3a zueinander versetzt angeordnet, sodass in der Ansicht gemäß 1 die hinter einer (sichtbaren) Erhebung 5 befindlichen (eigentlich nicht sichtbaren und deshalb nur gestrichelt angedeuteten) Schweißstellen 3a entsprechende weitere Vertiefungen 4a bilden. Insgesamt wechseln auf dem Außenmantel der Außenwandung 2 längs einer gemeinsamen, achsparallelen (senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden) Flucht Vertiefungen 4 mit Erhöhungen 5a vorzugsweise gleichmäßig ab. Zwischen einer konvex nach Außen gewölbten Erhöhung 5 der Außenwandung 2 und der Innenwandung 1 verbleiben Durchgänge 6 für insoweit achsparallel strömendes Kühlfluid oder Kühlmedium. Letzteres strömt so lange achsparallel, bis es entlang der achsparallelen Flucht auf eine (hintere) Verbindungs- bzw. Schweißstelle 3a stößt, sodass sich der Kühlfluidstrom zu je einem Teil in nebeneinander verlaufende Strömungsdurchgänge 6 aufteilt, welche der (hinteren) Schweißstelle 3a benachbart sind. Dadurch werden den teilweise achsparallelen Verläufen des Kühlmittelstroms an den Schweißstellen 3, 3a Unterbrechungen eingeprägt, woraus sich mäanderartige Ausweich-Verläufe und damit verbunden Wirbelungen ergeben, was die Kühleffektivität erhöht.
Gemäß 2 werden zur Bildung eines doppelwandigen Kühlmantels zwei Wärmeleitplatten 7, beispielsweise flache Blechteile, bündig und deckungsgleich im ebenen Zustand über einander gelegt, woraus sich dann nach einem späteren Herstellungsschritt die Innen- und Außenwandungen 1, 2 des Kühlmantels ergeben. Allerdings ist es nicht zwingend, dass Ober- und Unterteil deckungsgleich sind. In der Draufsicht der 2 ist von den vorzugsweise gleich ausgeführten Wärmeleitplatten 7 nur die obere sichtbar. An ihren Rändern 8, 8a, 14 (gemäß dargestellter, länglich-rechteckiger Grundform vier einzelne Seitenränder) werden die beiden Blech-Wärmeleitplatten 7 ringsum miteinander verschweißt. Zusätzlich wird durch den Schweißprozess eine mäanderförmige Strömungskanalstruktur für das Kühlmedium und/oder eine versetzte, örtlich begrenzte Heftung der Blech-Wärmeleitplatten 7 erzeugt.
Gemäß Ausführungsbeispiel der 2 sind in Längsrichtung der beiden übereinander gelegten Wärmeleitplatten 7 mehrere, etwa parallel nebeneinander liegende Reihen I–V jeweils mit einzelnen, längs der jeweiligen Flucht hintereinander angeordneten Schweißstellen 3, 3a ausgebildet. Diese sind beispielsweise kreisförmig oder sonst rundlich gestaltet und verbinden jeweils stellenweise die beiden übereinander liegenden Wärmeleitplatten 7, sodass an ihren gegenüberliegenden Innen-Flachseiten entsprechende Fügestellen entstehen. Diese stehen im fertig gestellten Zustand des Kühlmantels (siehe 4) dem Kühlmittelstrom als unüberwindbares Hindernis entgegen und müssen von diesem jeweils umströmt werden. Die Schweißstellen 3, 3a jeweils zweier nebeneinander liegender Reihen I, II; II, III... sind in Längsrichtung gegen einander versetzt angeordnet, wobei Schweißstellen 3, 3a zweier nicht unmittelbar nebeneinander verlaufender Reihen II, IV über eine gemeinsame, freie Querflucht 9 (quer zur Platten-Längsrichtung verlaufend) einander direkt gegenüberliegen. Durch den Versatz der Schweißstellen 3, 3a in Längsrichtung der Wärmeleitplatten 7 bzw. im fertig gestellten Zustand gemäß 4 und 5 in Umfangsrichtung wird eine vielfach wiederholte Umlenkung und damit ein mäanderartiger Verlauf des Kühlmittelstroms von einem Einlass zu einem Auslass gefördert.
Entsprechendes gilt gemäß 2 auch für längliche, im gezeichneten Beispiel linear verlaufende Schweißabschnitte bzw. -nähte 10. Diese gehen jeweils von einer Schweißstelle 3, 3a aus, welche in Längsrichtung der Wärmeleitplatten 7 gesehen abwechselnd im Bereich des einen Längsseitenrandes 8 und des anderen, gegenüberliegenden Längsseitenrandes 8a, dabei in Plattenlängsrichtung gegeneinander versetzt, platziert sind. Mit anderen Worten, die länglichen Fügeabschnitte 10 sind in Längsrichtung (und damit im fertig gestellten Zustand in Umfangsrichtung) abwechselnd mehr zu dem einen Rand 8 hin und zu dem gegenüberliegenden anderen Rand 8a hin versetzt.
Die Länge der länglichen Fügeabschnitte 10 ist so bemessen, dass sie quer zur Plattenlängsrichtung (im fertig gestellten Zustand gemäß 4 achsparallel) jeweils zwei Reihen I, II bzw. IV, V in Längsrichtung aufeinander folgender Schweißstellen 3, 3a quer durchsetzen. Dabei gehen die länglichen Schweißabschnitte 10 jeweils von Schweißstellen einer Reihe I, V aus, die den beiden Längsseitenrändern 8, 8a am nächsten liegen. Sie erstrecken sich jeweils zwischen zwei Schweißstellen 3, welche in ihrer jeweiligen gemeinsamen Reihe II, IV unmittelbar aufeinander folgen, wobei die jeweilige Reihe II, IV einer der äußersten Reihen I, V am nächsten liegt. Zweckmäßig enden die länglichen Schweißabschnitte 10 in der Flucht einer mittleren Reihe III mit Schweißstellen 3a.
Gemäß 2 und dortigem Ausführungsbeispiel sind ferner noch Fixierbohrungen 11 ausgebildet, welche die übereinander liegenden Wärmeleitplatten durchsetzen. Ebenso wie die Schweißstellen 3, 3a und die Schweißabschnitte 10 sind die Fixierbohrungen 11 mit gleichmäßigen Abständen von einander angeordnet, damit für den Außenmantel der Außenwandung eine regelmäßige und dicht gewellte Struktur erstellbar ist. Insbesondere bei einer Serienfertigung kann es zweckmäßig sein, zusätzlich oder anstelle der Fixierbohrungen Niederhalter einzusetzen.
Nach Fertigstellung gemäß 2 wird das resultierende Blechsandwich anschließend zu einem Zylindermantel für ein zu kühlendes Erzeugnis 19 gebogen und gemäß 3 mittels Fixierschrauben 12, die komplementär zu den Fixierbohrungen 11 ausgebildet sind, auf einem hohlzylindrischen Umformkern 13 fixiert. Die beiden Querränder 14 des Blechsandwich sind gemäß 3 mittels Montageschweißstellen 15, die in einem späteren Herstellungsschritt wieder entfernt werden können, am Außenmantel des metallischen Umformkerns 13 fixiert. Insbesondere bei einer Serienfertigung kann es zweckmäßig sein, zusätzlich oder anstelle der Montageschweissstellen Niederhalter einzusetzen. Die in 2 allein sichtbare Außenwandung 2 ist von einer Druckleitung 16, beispielsweise einem Aufblasrohr, durchsetzt, sodass ein Druckfluid, beispielsweise Druckluft, in den (gemäß 3 noch nicht voll ausgebildeten) Strömungshohlraum 17 (siehe 1) geleitet werden kann.
Gemäß 4 ist nun über die Druckleitung 16 (siehe 3) mittels des Druckfluids der Bereich zwischen den beiden Wärmeleitplatten 7 bzw. der Innen- und Außenwandung 1, 2 einem hohen Innendruck ausgesetzt worden, sodass dieser Bereich plastisch zum Strömungshohlraum 17 aufgedehnt oder aufgeweitet worden ist. Die mittels des vorgenannten Schweißprozesses erzeugte Mäanderstruktur ist zu dem Strömungshohlraum 17 aufgeweitet bzw. geöffnet, sodass ein Kühlfluid zwischen den beiden Wärmeleitplatten 7 bzw. der Innen- und Außenwandung 1, 2 sowie zwischen den Schweißstellen 3, 3a hindurch schlangenartig strömen kann.
Die Fertigung mittels Bohrungen und Fixierschrauben ist für kleine Stückzahlen oder für die Herstellung eines Funktionsmusters zweckmäßig. Bei einer Serienfertigung dürften stattdessen Niederhalter praktikabler sein. Dann könnten auch die oben angesprochenen Bohrungen innerhalb der kreisförmigen Schweißungen entfallen. Andererseits könnten die Bohrungen mit entsprechend kleinem Durchmesser für ein besseres Eindringen des Tränkharzes beibehalten werden.
Mittels der Fixierschrauben 12 ist der Kühlmantel derart am Umformkern 13 befestigt, dass während des Innenhochdruck-Umformens die (in 3 und 4 nicht sichtbare) Innenwandung 1 bzw. die entsprechende innere Wärmeleitplatte 7 nicht ausweichen kann und auf ihrer nach innen gerichteten Außenseite eine weitgehend glatte Außenfläche zur satten oder dichten Anlage an den zu kühlenden Gegenstand 19 erhält. Dem gegenüber prägt sich in die Außenwandung 2 gemäß 4 die bereits anhand von 1 erläuterte Wellenstruktur mit Vertiefungen 4, 4a auf dem Außenmantel im Bereich der Schweißstellen 3, 3a und auch der Fixierbohrungen/Schrauben 11, 12 und mit den Erhöhungen 5, 5a dazwischen. Alternativ oder zusätzlich zu den Fixierbohrungen 11 mit Fixierschrauben 12 sind Stützmittel beispielsweise in Form von in der Umformtechnik an sich bekannten Niederhaltern zweckmäßig, welche den Außenmantel der Außenwandung 2 jeweils örtlich begrenzt auf den Bereich der Schweißstellen 3, 3a und gegebenenfalls auch der Schweißabschnitte 10 und/oder die umlaufende Schweißnaht gezielt während des Aufblasens im Inneren des Kühlmantels abstützen. Dabei kann sich die Außenwandung 2 leicht gewölbt bzw. mit wellenartiger Struktur auf dem Außenmantel der Außenwandung 2 ausprägen, während die nach innen gerichtete Außenseite der Innenwandung 1 auf Grund der Anlage an dem Umformkern 13 mit seinem glatten Außenmantel glatt bleibt. Dadurch wird ein besonders guter Wärmeübergang zwischen der Außenseite des zu kühlenden Gegenstands, beispielsweise Oberfläche eines Elektromotors, und dem Innenmantel des Kühlmantels ermöglicht. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Niederhalter oder sonstigen Stützmittel so ausgerichtet sind, dass der Kühlmantel mit seiner Innenwandung 1 möglichst senkrecht bzw. direkt an die Oberfläche des Umformkerns angedrückt wird.
In einem weiteren Herstellungsschritt gemäß 5 wird der so erzeugte Kühlmantel mit Ein- und Auslassmitteln 18, beispielsweise Anschlussstutzen versehen, die vorzugsweise direkt an die Außenwandung 2 im Bereich von die Außenwandung 2 durchsetzenden Anschlussbohrung des Kühlmantels angeschweißt werden. Dies erfolgt zweckmäßig in einem Rand- und/oder Eckbereich des zylindrisch umgebogenen Kühlmantel-Blechsandwich.
Dessen beim Umbiegen nahezu aufeinander stoßende, nahe gegenüberliegende Querränder 14 (siehe auch 2) werden, um den Kühlmantel um den Stator 19 zu spannen, mit (nicht gezeichneten) elastischen Spannmitteln wie z. B.
Federklammern oder der gleichen aneinander gehalten.

1: Innenwandung
2: Außenwandung
3, 3a: Schweißstellen
4, 4a: Vertiefung
5, 5a: Erhebung
6: Durchgang
7: Wärmeleitplatte
8: Ränder, vier Seitenränder
8a: gegenüberliegender Rand
I–V: Reihen
9: Querflucht
10: länglicher Schweißabschnitt
11: Fixierbohrung
12: Fixierschraube
13: Umformkern
14: Querrand
15: Montageschweißstellen
16: Druckleitung
17: Strömungshohlraum
18: Ein- und Auslassmittel
19: Stator
20: Statorwicklung
21: Fuge

Claims

Kühlmantel und/oder Wärmetauscher zur Anlage an zu kühlende Festkörpererzeugnisse, insbesondere an elektrische Maschinen mit innerhalb oder außerhalb eines Stators (19) rotierendem Läufer oder an Reaktoren oder Behältnisse, mit einer Innen- und Außenwandung (1, 2), welche zwischen sich einen Strömungshohlraum (17) begrenzen, der mit Ein- und Auslassmitteln (18) für Kühlmedium und Leitmitteln zur Ausbildung und/oder Begrenzung wenigstens eines Strömungsweges für das Kühlmedium zwischen der Innen- und Außenwandung (1, 2) von den Einlass- und zu den Auslassmitteln (18) versehen ist, wobei die Außen- oder Innenwandung (1) mit einer glatten oder weitgehend geglätteten Außenseite zur satten Anlage an das Festkörpererzeugnis ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass einander zugewandte innere einzelne Flachstellen der Innen- und Außenwandung (1, 2) innerhalb ihrer Umrandungen über einzelne Fügestellen (3, 3a) und/oder längliche Fügeabschnitte (10) dauerhaft verbunden sind, wobei zwischen den Fügestellen (3, 3a) und/oder länglichen Fügeabschnitten (10) Durchgänge (6) für das Kühlmedium verbleiben, und auf einer oder mehreren Außenseiten oder einem Außenmantel der Innen- oder Außenwandung (2) eine oder mehrere Erhebungen (5, 5a) und Vertiefungen (4, 4a) abwechseln.
Kühlmantel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (5, 5a) und Vertiefungen (4, 4a) konvex beziehungsweise konkav gewölbt sind.
Kühlmantel und/oder Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügestellen (3, 3a) und/oder -abschnitte (10) mit Heften beziehungsweise Schweissen, Löten, Kleben, Falzen, Durchsetzfügen, Schrauben und/oder Nieten realisiert sind.
Kühlmantel und/oder Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügestellen (3, 3a) und/oder Fügeabschnitte (10) im Bereich der Vertiefungen (4, 4a) der Innen- oder Außenwandung (2) angeordnet sind.
Kühlmantel und/oder Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (2) und/oder Strömungs-Leitmittel mit den Fügestellen (3, 3a) und/oder Fügeabschnitten (10) realisiert sind.
Kühlmantel und/oder Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer zylindrischen und/oder länglichen und/oder rotationssymmetrischen Grundform, dadurch gekennzeichnet, dass – in einer Flucht (9) entsprechend der Zylinder-, Längs- oder Symmetrieachse gesehen – sich auf der Außenfläche oder -seite der Innen- oder Außenwandung (2) Erhöhungen (5, 5a) mit Vertiefungen (4, 4a) abwechseln.
Kühlmantel und/oder Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungs-Leitmittel mit den Fügestellen (3, 3a) und/oder Fügeabschnitten (10) und/oder Verbindungsstellen oder -abschnitte zwischen der Innen- und Außenwandung (1, 2) realisiert sind.
Kühlmantel und/oder Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anordnung der Fügestellen (3, 3a) und/oder Fügeabschnitte (10) derart, das der oder die Strömungswege des Kühlmediums mäanderartig und/oder über Verwirbelungen verlaufen.
Kühlmantel und/oder Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer zylindrischen und/oder länglichen und/oder rotationssymmetrischen Grundform, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Umfangsrichtung (I–V) um die Zylinder-, Längs- und/oder Symmetrieachse mehrere längliche Fügeabschnitte (10) der Innen- und Außenwandung (1, 2) abwechselnd mehr zu einem Rand (8) hin und mehr zu einem gegenüberliegenden Rand (8a) hin versetzt sind.
Kühlmantel und/oder Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer zylindrischen und/oder länglichen und/oder rotationssymmetrischen Grundform, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Umfangsrichtung (I–V) um die Zylinder-, Längs- und/oder Symmetrieachse und/oder in einer Richtung (9) parallel zur Zylinder-, Längs- und/oder Symmetrieachse mehrere Fügestellen (3, 3a) und/oder Fügeabschnitte (10) gegeneinander versetzt angeordnet sind.
Kühlmantel und/oder Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügestellen (3, 3a) und/oder Fügeabschnitte (10) mit regelmäßiger Struktur und/oder gleichmäßigen Abständen voneinander angeordnet sind.
Kühlmantel und/oder Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Montage- und/oder Fixiermittel (11, 12) an oder in der Außen- und/oder Innenwandung (2, 1) zur Befestigung an einer Umformeinrichtung (13).
Kühlmantel und/oder Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innen- und/oder Außenwände (1, 2) mit Blechteilen einer Dicke von 0,3 bis 2,00 mm, beispielsweise 0,8 mm, realisiert sind.
Kühlmantel und/oder Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer hohlzylindrischen Grundform, wobei der Zylinder-Umfangsmantel eine achsparallele Stoßnaht oder Fuge (21) aufweist, welche durch in Umfangsrichtung (I–V) gegenüberliegende Ränder (14) der Innen- und Außenwandung (1, 2) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüberliegenden Ränder (14) durch Federklammern, Krallfedern oder sonstige elastische Spannmittel und/oder Schweißstellen (15) zusammen oder unmittelbar gegenüberliegend gehalten sind.
Verfahren zur Herstellung eines Kühlmantels und/oder Wärmetauschers mit einer Innen- und einer Außenwandung (1, 2) und einem Strömungsweg dazwischen für Kühlmedium, ausgebildet ist nach einem der Ansprüche 1–14, mit folgenden Schritten: a) Bilden eines festen Verbundes aus zwei einzelnen flachen Blech-, Metall- oder sonstiger Wärmeleitplatten (7) als Innen- und Außenwandung (1, 2) b) Erzeugen eines Strömungshohlraums (17) durch Innenhochdruck-Umformen zwischen der Innen- und Außenwandung (1, 2) c) Anbringen von Ein- und/oder Auslassmitteln (18) für Kühlfluid, welche zu dem Strömungshohlraum (17) innerhalb des Verbundes geführt werden.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bilden des festen Verbundes die zwei Wärmeleitplatten (7) im Flachzustand beziehungsweise eben, möglicherweise kongruent, übereinander gelegt und an ihren Rändern (14) verschweißt oder sonst verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bilden des festen Verbundes über dessen Außenseiten) und/oder dessen Außenmantel einzelne Fügestellen (3, 3a) oder -abschnitte (10) ausgebildet werden, wodurch gegenüberliegende Innenseiten der Innen- und Außenwandung (1, 2) miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Anbringen der einzelnen Fügestellen (3, 3a) oder -abschnitte (10) mittels Schweißen durch die Innen- oder Außenwandung (1, 2) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügestellen (3, 3a) oder -abschnitte (10) mittels Punkt-, Kreis- und/oder Linienschweißens auf der Außenseite der Innen- oder Außenwandung (1, 2) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der feste Verbund mittels Umformung an die Außenkonturen) eines zu kühlenden Erzeugnisses (19) angepasst wird, um den Kühlmantel oder Wärmetauscher mit der Außenseite seiner Außen- oder Innenwandung (1) in eine möglichst satte Anlage an das Erzeugnis (19) zu bringen.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umformung der noch flache Platten-Verbund (1, 2; 7) mittels einer Umformeinrichtung (13) oder eines Stützkörpers plastisch verformt wird, dessen Außenkontur der des zu kühlenden Erzeugnisses (19) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umformung der noch flache Plattenverbund (1, 2; 7) zu einer zylindrischen Form gebogen ist oder um einen Umformkern (13) oder einen Stützkörper zu einer zylindrischen Form gebogen wird und an dabei gegenüber liegenden und/oder aufeinander stoßenden Rändern (14) verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Platten-Verbund (1, 2; 7) mit der Außenseite seiner Außen- oder Innenwandung (1) mittels Fixiermittel (11,12) in Anlage an die Umformeinrichtung (13) oder den Stützkörper gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Platten-Verbund (1, 2; 7) zu seinem Fixieren im Bereich der Schweiss- oder sonstigen Fügestellen (3, 3a) an den Stützkörper oder die Umformeinrichtung (13) angepresst wird.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Anpressen vor dem Schritt b) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenhochdruck-Umformung mittels Einführen eines Druckmediums wie beispielsweise Druckluft oder Wasser zwischen die Innen- und Außenwandung (1, 2) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, unter Verwendung einer Umformeinrichtung (13) zur Umformung des festen Plattenverbunds (1, 2; 7), wobei zum Bilden des festen Verbundes über dessen Außenseiten) und/oder dessen Außenmantel einzelne Fügestellen (3, 3a) oder -abschnitte (10) angebracht werden, wodurch gegenüberliegende Innenseiten oder Innenflachstellen der Innen- und Außenwandung (1, 2) miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass während der Phase des Innenhochdruck-Umformens Niederhalter an die Außenseite(n) oder den Außenmantel der Außenwandung (2) im Bereich der Fügestellen (3, 3a) oder -abschnitte (10) und/oder im Bereich einer Umfangsnaht oder eines verschweissten Umfangsrandes in Anlage gebracht werden, um den Verbund (1, 2; 7) mit der Außenseite seiner Außen- oder Innenwandung (1) in Anlage an die Umformeinrichtung (13) zu halten.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite der Außen- oder Innenwandung (1) mit einer Beschichtung aus viskoelastischem Polymer, Gieß- und/oder Imprägnierharz und/oder einem sonstigen, den Wärmeübergang verbessernden Schichtstoff versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei der Kühlmantel und/oder Wärmetauscher für einen mit Gieß- und/oder Imprägnierharz getränkten Stator (19) einer gehäuselosen elektrischen Maschine verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der umgeformte Plattenverbund (1, 2; 7) mit seiner Innenwandung (1) in Anlage an den Stator (19) gebracht wird, solange das Gieß- und/oder Imprägnierharz noch nicht vollständig ausgehärtet ist.
Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (19) im Bereich seines Außenrandes oder Außenumfang mit Gieß- und/oder Imprägnierharz getränkt wird.
Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Tränken eine Montage des Kühlmantels an einem zu kühlenden Festkörpererzeugnis durchgeführt wird.
Kühl-Anordnung mit einer elektrischen Maschine oder mit einem Reaktor oder Behältnis, gekennzeichnet durch deren Umhüllung oder Umfassung mit der Innenwandung (1) eines Kühlmantels und/oder Wärmetauschers nach einem der Ansprüche 1 bis 28.
Anordnung nach Anspruch 32, gekennzeichnet durch die Anordnung einer Beschichtung mit vorzugsweise plastisch verformbaren Wärmeleitmitteln zwischen der Außenseite der Innenwandung (1) und der Außenkontur des zu kühlenden Erzeugnisses (19).
Anordnung nach Anspruch 32 oder 33, wobei Statorwicklungen (20) der elektrischen Maschine mit einer Verguss- oder Tränkmasse vergossen oder durchtränkt sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verguss- oder Tränkmasse auch zwischen der Außenseite oder dem konkaven Außenmantel der Innenwandung (1) und dem Außenmantel des Stators (19) oder Statorgehäuses befindet.