-
Die Erfindung betrifft einen Verdampfer für hermetische, mit einem phasenwechselnden Kältemittel befüllte Kühleinrichtungen. Das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Kühlung elektrischer Geräte oder Komponenten. Die Erfindung ist je nach Ausführungsform geeignet, elektromagnetische Wandler zu kühlen oder die Wirkung von auf erzwungener Konvektion beruhenden Kühleinrichtungen zu verbessern.
-
Die Funktion elektrischer Geräte oder Komponenten ist stark von der im Betrieb entstehenden Verlustleistung in Form von Wärme beeinflusst. Dies betrifft Einrichtungen der klassischen Elektrotechnik und Elektronik gleichermaßen. Ein großes Problem ist die Ableitung der Wärme, um Überhitzungen und damit kritische Betriebszustände zu vermeiden. Damit verbunden sind begrenzte Bauform und Bauelementedichte und daraus folgend eingeschränkte Effizienz. Beispielhaft seien elektromagnetische Wandler genannt, deren Volumen von der zu übertragenden Leistung abhängig ist, wobei die übertragbare Leistung durch Ableitung der Verlustwärme bei gleich bleibendem Volumen erhöht werden kann. Eine bekannte Lösung hierfür beschreibt die
DE 198 14 896 A1 im Zusammenhang mit einem Leistungsübertrager für hohe Ströme. Die Wärmeableitung erfolgt mittels mindestens einer Heatpipe, die als Teilsegment der Spulenwicklungen ausgebildet ist. Das Funktionsprinzip der Heatpipe bedingt, dass eine Steuerung des Volumens und/oder der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittelstroms nicht möglich ist. Dieser Umstand hat entweder die Inkaufnahme einer relativ langsamen Einstellung der gewünschten Temperatur am Kühlobjekt oder einen erhöhten Aufwand oder Volumenbedarf durch Überdimensionierung der Heatpipe zur Folge. Die Lösung dieses Problems könnte gemäß der
DE 299 24 221 U1 erfolgen, die eine Transformatoranordnung mit Kühlkreislauf beschreibt. Der mit Transformatoröl befüllte Kühlkreislauf umfasst eine Umwälzpumpe, einen Kühler und einen Wärmetauscher, die durch Zu- und Rückführleitungen miteinander verbunden sind. Ferner sind verschiedene Druck- und Temperaturmesseinrichtungen vorgesehen. Der Wärmetauscher ist in die konzentrisch angeordneten Transformatorwicklungen in Form von koaxial eingelagerten Kühlkanälen integriert, so dass ein guter Wärmeübergang von den Spulenwindungen auf das Kühlmedium realisiert wird. Durch Steuerung der Umwälzpumpenleistung kann auf kritische Betriebszustände mit erhöhten Temperaturen reagiert werden. Allerdings ist die bekannte Anordnung wegen der Verwendung von Öl als Kühlmedium nur diesbezüglich geeigneten Anwendungsfällen zugänglich und zudem relativ träge und somit hinsichtlich der Regelbarkeit eingeschränkt. Eine andere bekannte Lösung für die Ableitung von Verlustwärme beschreibt die
DE 100 58 080 A1 mit einem Mittelfrequenztransformator, dessen Wicklungen aus einem Bündel von Hohlleitern besteht, durch die eine Kühlflüssigkeit fließt. Als Kühlflüssigkeit wird vorzugsweise deionisiertes Wasser verwendet. Jedoch wird nicht gezeigt, wie die Ableitung und Zuführung der Kühlflüssigkeit erfolgt. Die Ableitung der Verlustwärme aus dem Gehäuseinneren elektrischer oder elektronischer Geräte stellt ein ähnliches Problem dar, das sich aus dem begrenzten Volumenstrom der hierfür üblichen Ventilatoren ergibt. Ein Beispiel ist das Wärmeproblem bei Schaltschränken, Personalcomputern und Servern, bei denen nicht zuletzt wegen des Standortes nahe menschlicher Arbeitsplätze die Verwendung Geräusch optimierter Ventilatoren vorgegeben ist, die jedoch deshalb auch in ihrer Leistung begrenzt sind.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Kühlung elektrischer und elektronischer Geräte oder Komponenten durch Verwendung eines von einem phasenwechselnden Kühlmittel durchströmtem Kühlkreises zu verbessern, dessen Verdampfer mit dem zu kühlenden Objekt baulich vereinigt ist.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Verdampfer mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1 gelöst. Der erfindungsgemäße integrierbare Verdampfer gehört zu einem geschlossenen Kühlmittelkreis, in dem ein phasenwechselndes Kühlmittel zirkuliert und der wenigstens einen Verdichter, einen Verflüssiger, eine Drossel und den Verdampfer umfasst. Der Verdampfer ist als spiral- oder helixförmige Rohrleitung ausgebildet. Die vom Verflüssiger zum Verdampfer führende Kühlmittelleitung weist ein als Kapillarrohr ausgebildetes Endstück auf, das in das Verdampferrohr axial eintauchend hermetisch mit dem Verdampferrohr verbunden ist und über wenigstens eine Kühlmittelaustrittsöffnung verfügt. Der erfindungsgemäße Verdampfer ist derart mit einem zu kühlenden Objekt baulich vereinbar, wodurch ein gezielter und schneller Wärmeübergang vom Objekt über das Verdampferrohr auf das Kühlmittel erfolgt und die Verlustwärme effizient abgeführt wird. Dabei bestimmen sowohl die konstruktive Ausbildung des Verdampferrohrs hinsichtlich umschlossenen Volumens und Materials als auch die Größe und Geschwindigkeit des Kühlmittelstroms die abführbare Wärmemenge. Der Kühlmittelstrom wiederum kann über die Querschnittsfläche der Zuführleitung einschließlich der effektiven Größen der Austrittsöffnungen sowie die Auslegung des Kühlmittelkreises in Bezug auf die ggf. regelbare Kompressorleistung bzw. des Volumenstroms verschiedenen Anforderungen angepasst werden. Die Regelung kann vorteilhaft durch geeignet angeordnete Temperatursensoren zur Erfassung der Istwerte und gezielte Veränderung des Volumenstroms des Kältemittels beispielsweise mittels entsprechend angeordneter steuerbarer Ventile erweitert werden, um die Temperatur entsprechend der Betriebsweise des zu kühlenden Objekts einzustellen. Darüber hinaus ermöglicht die Erfindung die Anpassung an verschiedene Anwendungsfälle mittels der Variation der Eintauchtiefe des Kapillarrohrs und der Verteilung von Austrittsöffnungen ggf. verschiedener Größen entlang des Kapillarrohrs.
-
Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. So kann der Verdampfer vorteilhaft in Form einer spiralförmigen Rohrleitung ausgebildet im Förderstrom eines Ventilators angeordnet sein, wodurch wegen der stärkeren Abkühlung der geförderten Luft die Leistung des Ventilators und damit die Geräuschemission klein gehalten werden. Eine andere vorteilhafte Ausbildung des Verdampfers besteht in einer helixförmigen Rohrleitung, die wenigstens einlagig windungsartig in die Wicklung eines elektromagnetischen Wandlers integriert ist, wodurch eine gezielte und damit effiziente, geräuschlose Kühlung erfolgt. In einer weiterbildenden Ausgestaltung ist die den Verdampfer bildende helixförmige Rohrleitung in die Rotorwicklung einer elektrodynamischen Maschine integriert und über hermetische Ringanschlüsse an den Kühlmittelkreis angeschlossen. Der Verdampfer ist in einer weiteren vorteilhaften Ausbildung als Rohrleitung in Form eines gut Wärme leitenden Bandes mit einem in Längsrichtung hermetisch angeformten Tunnel gestaltet. Dadurch kann bei einfachster Herstellungstechnologie das effektive Volumen des Verdampfers durch einfaches Ablängen dem jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Eine vorteilhafte Herstellungsweise besteht darin, dass der Tunnel mit dem Band verschweißt ist, wobei der Tunnel alternierend zwischen den Längskanten des Bandes verlaufen kann. Dadurch kann ein erfindungsgemäßer Verdampfer hoher Wickel- bzw. Packungsdichte realisiert werden. Eine weitere vorteilhafte, insbesondere preiswerte Herstellungsweise besteht darin, dass das Band einschließlich Tunnel als Strang gepresst ist.
-
Nachfolgend wird die Erfindung in Form der bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in
-
1 einen erfindungsgemäßen spiralförmig ausgebildeten Verdampfer:
- a) eingeordnet in einen Kühlkreis,
- b) in einer ersten Variante mit einem Ventilator baulich kombiniert,
- c) in einer zweiten Variante mit einem Ventilator baulich kombiniert;
-
2 einen erfindungsgemäßen helixförmig ausgebildeten Verdampfer:
- a) eingeordnet in einen Kühlkreis,
- b) in Windungsform in einen Transformator integriert,
- c) in Windungsform in den Rotor einer elektrodynamischen Maschine integriert und
-
3 eine Verbindung einer Kühlmittelzuführleitung mit einem erfindungsgemäßen Verdampfer.
-
1a zeigt einen Kühlkreislauf, welcher einen Verdampfer 1, einen Verdichter 2 und einen Verflüssiger 3 umfasst, wobei eine Kühlmittelzuführleitung 5 den Verflüssiger 3 mit dem Verdampfer 1 und eine Kühlmittelrückführleitung 4 den Verdampfer 1 mit dem Verdichter 2 verbinden. Der Verdichter 2 ist über eine Leitung 23 mit dem Verflüssiger 3 verbunden. Der Kühlkreislauf ist mit einem phasenwechselnden Kühlmittel, beispielsweise Kohlendioxid (CO2) befüllt. Indem die Kühlmittelzuführleitung 5, wie in 3 dargestellt, ein als Kapillarrohr ausgebildetes Endstück aufweist, das hermetisch eingepasst in den Verdampfer 1 ragt, kann sich das Kühlmittel entspannen und nach seinem Austritt in den Verdampfer 1 Wärme aufnehmen. Der Verdampfer 1 ist als spiralförmige Rohrleitung ausgeführt. Dabei ist es lediglich konstruktiven Anforderungen vorbehalten, in welcher Richtung der Verdampfer 1 vom Kühlmittel durchströmt wird, d. h. ob die Zuführleitung 5 innen und die Rückführleitung 4 außen oder umgekehrt an die Rohrleitungsspirale 1 des Verdampfers geführt sind.
-
Die 1b und 1c zeigen Ausführungsformen des Verdampfers 1. In 1b besteht der Verdampfer 1 aus einem spiralförmig gewickelten metallischen Band 11, auf dem ein Tunnel 12 angeordnet ist. Der Tunnel 12 ist gemäß 1a hermetisch an eine Kühlmittelzuführleitung 5 und eine Kühlmittelrückführleitung 4 angeschlossen, wobei das Endstück der Kühlmittelzuführleitung 5 als Kapillarrohr ausgebildet ist und hermetisch eingepasst in den Tunnel 12 eintaucht. Der Tunnel 12 befindet sich in der Längsachse des Bandes 11, so dass die Herstellung durch Strangpressen und anwendungsspezifisches Ablängen gegeben ist. Der Tunnel 12 kann wie dargestellt auf einer Seite des Bandes 11 angeordnet sein. Er kann jedoch auch analog der Darstellung in 1c in der Bandebene ausgebildet sein, so dass der Tunnel 12 beidseitig aus den Bandflächen ragt. Der Verdampfer 1 ist im Luftstrom 8 eines Ventilators angeordnet, der aus einem Motor 6 und einem Lüfterrad 7 besteht. 1c zeigt einen Verdampfer 1, der ebenfalls im Luftstrom 8 eines aus Motor 6 und Lüfterrad 7 bestehenden Ventilators angeordnet ist, im Gegensatz zum Verdampfer 1 gemäß 1b jedoch zwischen Motor 6 und Lüfterrad 7. Hieraus ist die Wahlfreiheit hinsichtlich der Anordnung des Verdampfers 1 im Luftstrom 8 nach konstruktiven Gesichtspunkten ohne Einschränkung der Kühlfunktion ersichtlich. Der Verdampfer 1 nach 1c besteht ebenfalls aus einem metallischen Band 11, das mit einem Tunnel 12 versehen und spiralförmig gewickelt ist. Der Tunnel 12 ist wie zu 1b beschrieben an eine Kühlmittelzuführleitung 5 und eine Kühlmittelrückführleitung 4 angeschlossen. Er ist vorteilhaft als Rohr oder Halbrohr oder ähnlich ausgebildet und längs mit dem Band 11 hermetisch verschweißt. Der Tunnel 12 verläuft alternierend von einer Längskante des Bandes 11 zur anderen, wodurch eine Vergrößerung des Verdampfervolumens bei gleich bleibender Bandlänge und gleich bleibender Tunnelhöhe erreicht wird. Wird zudem das Band 11 rinnenförmig eingeprägt und der Tunnel 12 als Halbrohr aufgeschweißt, so dass das Band 11 eine zweiseitige Aufwölbung erhält, führt der alternierende Verlauf des Tunnels 12 zur Erhöhung der Packungsdichte, da die Wicklung enger ausgeführt werden kann.
-
2a zeigt einen Kühlkreislauf, welcher einen Verdampfer 1, einen Verdichter 2 und einen Verflüssiger 3 umfasst, wobei eine Kühlmittelzuführleitung 5 den Verflüssiger 3 mit dem Verdampfer 1 und eine Kühlmittelrückführleitung 4 den Verdampfer 1 mit dem Verdichter 2 verbinden. Der Verdichter 2 ist über eine Leitung 23 mit dem Verflüssiger 3 verbunden. Der Kühlkreislauf ist mit einem phasenwechselnden Kühlmittel, beispielsweise Kohlendioxid (CO2) befüllt. Indem die Kühlmittelzuführleitung 5, wie in 3 dargestellt, ein als Kapillarrohr ausgebildetes Endstück aufweist, das hermetisch eingepasst in den Verdampfer 1 ragt, kann sich das Kühlmittel entspannen und nach seinem Austritt in den Verdampfer 1 Wärme aufnehmen. Der Verdampfer 1 ist als helixförmige Rohrleitung ausgeführt. Die 2b und 2c zeigen Anwendungsbeispiele des Verdampfers 1. In 2b dient der Verdampfer 1 zur Kühlung eines Transformators 9 mit einer Primärwicklung 91 und einer Sekundärwicklung 92 sowie einem Wicklungsträger 93, in dem beispielsweise ein Eisenkern angeordnet sein kann. Die Verdampferrohrleitung 1 ist an eine Kühlmittelzuführleitung 5 und eine Kühlmittelrückführleitung 4 angeschlossen. Die helixförmige Rohrleitung 1 ist in die Primärwicklung 91 und/oder die Sekundärwicklung 92 windungsartig integriert und derart auf den Wicklungsträger 93 gewickelt. Die Darstellung in 2b ist allerdings schematisch zu verstehen, da die Windungen der Verdampferrohrleitung 1 sowohl weiter als auch enger liegen und selbstverständlich auch in mehreren Lagen angeordnet sein können, um dem Anwendungsfall entsprechend eine optimale Kühlung zu realisieren. In 2c dient der Verdampfer 1 zur Kühlung des Rotors 103 einer elektrodynamischen Maschine, beispielsweise eines Elektromotors. Die helixförmige Verdampferrohrleitung 1 ist windungsartig, gegebenenfalls in mehreren Lagen, in die Rotorwicklung 101 integriert. Der Rotor 103 verfügt über einen Kühlmittelzuführkanal 105 und einen Kühlmittelrückführkanal 104, an welche die Verdampferrohrleitung 1 hermetich angeschlossen ist. Die Kanäle 104 und 105 verlaufen im Innern der Rotorwelle 107. Die Wellenlager 102 verfügen über innere umlaufende Nutenkammern 108, die hermetisch mit der Kühlmittelzuführleitung 5 bzw. der Kühlmittelrückführleitung 4 verbunden sind. Die Kanäle 104 und 105 enden jeweils in einem abgewinkelten Anschlussabschnitt, so dass die Kanäle 104 und 105 über 360° Wellendrehwinkel mit den Leitungen 4 und 5 verbunden sind. Die Nutenkammern 108 sind mittels Ringdichtungen 106 gegen die Wellenlagerung abgedichtet. Die Kühlmittelkanäle 104 und 105 können bei entsprechender Gestaltung der Rotorwelle 107 und der Wellenlager 102 auch einseitig angeordnet sein, so dass ein Wellenlager 102 Zuführ- und Abführkanal aufweist und das andere Wellenlager 102 nicht für die Kühlung ausgebildet ist. In beiden Anwendungsfällen kann jede Form von Mehrlagigkeit eingerichtet werden, indem die Rohrleitung 1 und wenigstens eine Transformatorwicklung 91 und/oder 92 bzw. die Rohrleitung 1 und die Rotorwicklung 101 in beliebiger Abfolge schichtweise gewickelt sind.
-
3 zeigt die Verbindung einer Kühlmittelzuführleitung 5 mit einem Verdampfer 1. Die Kühlmittelzuführleitung 5 ragt, mittels einer Dichtung 52 hermetisch eingepasst, in das Innere des Verdampfers 1, wobei das Endstück der Kühlmittelzuführleitung 5 als Kapillarrohr 51 ausgebildet ist. Der Verdampfer 1 besteht aus einem metallischen Blechstreifen 11 sowie einem mit dem Blechstreifen 11 mittels längsseitiger hermetischer Schweißnähte 13 verbundenen Tunnel 12. Das Kapillarrohr 51 kann neben einer stirnseitigen Austrittsöffnung 511 mit weiteren Austrittsöffnungen 512 im Rohrmantel versehen sein, um die Geschwindigkeit der Wärmeaufnahme durch das an mehreren Stellen verdampfende Kühlmittel und damit die Effizienz der Kühlung zu erhöhen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 19814896 A1 [0002]
- DE 29924221 U1 [0002]
- DE 10058080 A1 [0002]
