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Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Widerstand mit mindestens einem elektrisch leitenden Widerstandselement, das in einem Kühlkanal angeordnet ist.
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Aus der
DE 28 47 129 C2 ist ein Widerstandselement in Form eines gewendelten metallischen Drahtes bekannt, das sich zwischen zwei elektrischen Anschlüssen erstreckt und in eine Vergussmasse eingebettet ist, die Aluminiumoxid enthält. Weiterhin wird das eingebettete Widerstandselement von einem quer zu seiner Erstreckungsrichtung laufenden Kühlmittelstrom gekühlt.
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Vor diesem Hintergrund war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen flüssigkeitsgekühlten Widerstand bereitzustellen, der bei kompakter Bauweise die Umsetzung hoher Leistungen erlaubt.
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Diese Aufgabe wird durch einen flüssigkeitsgekühlten Widerstand nach Anspruch 1 und Anspruch 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung somit einen flüssigkeitsgekühlten (elektrischen) Widerstand, welcher beispielsweise dazu eingesetzt werden kann, kurzfristig auftretende, überschüssige elektrische Leistungen abzubauen. Der Widerstand enthält (mindestens) die folgenden Komponenten:
- – Mindestens ein elektrisch leitendes Widerstandselement, durch welches beim Betrieb elektrischer Strom geleitet wird. Zu diesem Zweck hat der flüssigkeitsgekühlte Widerstand in der Regel weitere, vorliegend nicht im Einzelnen erwähnte Komponenten wie z. B. elektrische Außenanschlüsse. Das Widerstandselement besteht in der Regel aus einem üblichen Heizleitermaterial, insbesondere einem Metall oder einer Metalllegierung wie beispielsweise CuNi, NiCr, oder AlCr. Es kann optional in einem elektrisch isolierenden Träger untergebracht bzw. eingebettet sein. In der Regel hat das Widerstandselement geometrisch eine im Wesentlichen geradlinige Erstreckung zwischen seinen elektrischen Anschlüssen, wobei es in einer "Feinstruktur" beispielsweise spiralförmig entlang der Erstreckungsrichtung verlaufen kann, um eine möglichst große Leitungslänge zwischen den Anschlüssen unterzubringen.
- – Einen Kühlkanal mit einem rohrförmigen Abschnitt, durch welchen ein geeignetes, typischerweise flüssiges Kühlmittel geleitet werden kann, wobei in dem rohrförmigen Abschnitt das vorstehend genannte Widerstandselement (zumindest teilweise) angeordnet ist. Der Begriff "rohrförmiger Abschnitt" ist dabei sehr allgemein zu verstehen als jede Art von Geometrie, bei welcher ein (ursprünglich leerer) Raum ringförmig vom Körper des Kühlkanals umschlossen wird (gegebenenfalls bis auf eine geringfügige Öffnungsstelle des Ringes). In einem typischen Ausführungsbeispiel hat der rohrförmige Abschnitt die Form eines Kreiszylinders. Denkbar sind jedoch auch andere zylindrische bzw. prismatische Strukturen mit elliptischen, mehreckigen, oder anderen Querschnittsformen. Des Weiteren kann der rohrförmige Abschnitt im allgemeinen Fall auch geometrisch unregelmäßig gebaut sein.
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Der beschriebene flüssigkeitsgekühlte Widerstand ist weiterhin dadurch charakterisiert, dass im genannten rohrförmigen Abschnitt ein offener Hohlraum besteht bzw. verbleibt (zwischen dem Widerstandselement und der Innenwand des Kühlkanals), dessen Dicke nicht mehr als ca. 15 %, vorzugsweise nicht mehr als ca. 10 %, nicht mehr als ca. 8 %, nicht mehr als ca. 5 %, oder sogar nicht mehr als ca. 2 % des lokalen Durchmessers des rohrförmigen Abschnittes beträgt (wobei diese Bedingung an mindestens einer Stelle, vorzugsweise an mehr als 75% der Innenwandfläche des rohrförmigen Abschnitts, besonders bevorzugt im gesamten rohrförmigen Abschnitt erfüllt sein soll). Wenn der rohrförmige Abschnitt und das Widerstandselement beide kreiszylindrisch sind und das Widerstandselement zentral entlang der Achse des rohrförmigen Abschnittes angeordnet ist, ist der vorstehend erwähnte Hohlraum ein Ringspalt bzw. Hohlzylinder. Die "Dicke des Hohlraumes" ist dann identisch mit der Wanddicke dieses Hohlzylinders.
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Der Begriff "Kühlkanal" soll sowohl den (ursprünglich leeren) Raum umfassen, in dem sich im fertigen Widerstand das Widerstandselement und der von Kühlmittel durchströmbare Hohlraum befinden, als auch die diesen Raum begrenzende materielle Wand.
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Ein flüssigkeitsgekühlter Widerstand gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung enthält die folgenden Komponenten:
- – Mindestens ein elektrisch leitendes Widerstandselement.
- – Einen Kühlkanal mit einem rohrförmigen Abschnitt, in dem das Widerstandselement angeordnet ist.
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Der flüssigkeitsgekühlte Widerstand nach dem zweiten Aspekt ist dadurch charakterisiert, dass in dem rohrförmigen Abschnitt ein Hohlraum verbleibt, dessen Dicke weniger als ca. 5 mm beträgt (wobei diese Bedingung an mindestens einer Stelle, vorzugsweise an mehr als 75% der Innenwandfläche des rohrförmigen Abschnitts, besonders bevorzugt im gesamten rohrförmigen Abschnitt erfüllt sein soll). Optional kann die Dicke weniger als ca. 4 mm, weniger als ca. 3 mm, weniger als ca. 2 mm, oder sogar weniger als 1 mm betragen.
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Ein flüssigkeitsgekühlter Widerstand gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt der Erfindung hat den Vorteil, dass aufgrund der verhältnismäßig geringen Dicke des Hohlraumes im Kühlkanal eine Ableitung von Verlustwärme vom Widerstandselement erfolgen kann, welche sich in der Praxis als überraschend effizient erweist. Damit wird es möglich, bei kompakter Bauweise hohe Verlustleistungen in dem flüssigkeitsgekühlten Widerstand umzusetzen.
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Ein flüssigkeitsgekühlter Widerstand gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung stellt eine eigenständige Problemlösung dar, wobei er optional zusätzlich die Merkmale der oben beschriebenen, flüssigkeitsgekühlten Widerstände gemäß dem ersten und/oder zweiten Aspekt enthalten kann. Der flüssigkeitsgekühlte Widerstand nach dem dritten Aspekt enthält die folgenden Komponenten:
- – Mindestens ein elektrisch leitendes Widerstandselement.
- – Einen Kühlkanal mit einem rohrförmigen Abschnitt, in dem das Widerstandselement angeordnet ist.
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Der flüssigkeitsgekühlte Widerstand nach dem dritten Aspekt ist dadurch charakterisiert, dass zwischen dem Widerstandselement und dem verbleibenden Hohlraum des Kühlkanals eine elektrische Isolierung angeordnet ist.
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Der flüssigkeitsgekühlte Widerstand nach dem dritten Aspekt der Erfindung hat den Vorteil, dass er die Verwendung von elektrisch leitenden Kühlmitteln erlaubt, da diese aufgrund der elektrischen Isolierung nicht mit dem stromführenden Widerstandselement elektrisch in Kontakt kommen können. Dadurch lassen sich unter thermischen Gesichtspunkten optimale Kühlmittel einsetzen, was der Leistungsfähigkeit des Widerstandes zugute kommt.
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Die Merkmale der beschriebenen flüssigkeitsgekühlten Widerstände gemäß dem ersten, zweiten, und dritten Aspekt der Erfindung können optional miteinander kombiniert werden. Generell gilt, dass Ausführungen, Definitionen und Erläuterungen, welche für irgendeine Ausführungsform eines Widerstandes gemäß der vorliegenden Erfindung gegeben werden, in analoger Weise auch für alle anderen Ausführungsformen gelten.
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Im Folgenden werden verschiedene vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, welche sich sowohl mit einem flüssigkeitsgekühlten Widerstand gemäß dem ersten, zweiten, als auch dem dritten Aspekt der Erfindung realisieren lassen.
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Als Kühlmittel können bei dem flüssigkeitsgekühlten Widerstand insbesondere ein Frostschutzmittel wie z. B. Ethylenglycol, ein Korrosionsschutzmittel, Wasser, entionisiertes Wasser, Öl und/oder Gemische hiervon zum Einsatz kommen.
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Der Kühlkanal ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass ein Kühlmittel im Wesentlichen parallel zur Erstreckungsrichtung des Widerstandselementes durch den Hohlraum im Kühlkanal strömen kann. Insbesondere kann die Verbindungsgerade zwischen den elektrischen Anschlusspunkten des Widerstandselementes im Wesentlichen parallel zur Verbindungsgeraden zwischen den Kühlmittel-Anschlusspunkten des Kühlkanals verlaufen (wobei "im Wesentlichen" einen Winkel kleiner als ca. 30° zwischen den Geraden bedeuten soll). Zusätzlich oder alternativ kann gefordert werden, dass die über das Widerstandselement gemittelte elektrische Stromflussrichtung im Wesentlichen parallel zur über den Kühlkanal gemittelten Kühlmittel-Strömungsrichtung sein soll.
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Für die geometrische Lage bzw. Form des offenen Hohlraumes im rohrförmigen Abschnitt werden im allgemeinen Fall keine besonderen Einschränkungen gemacht. Denkbar ist es daher, dass das Widerstandselement auch stellenweise an der Innenwand des Kühlkanals anliegt, der Hohlraum hier also die Dicke "Null" hat. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Widerstandselement indes im rohrförmigen Abschnitt des Kühlkanals von einem Hohlraum UMGEBEN, durch den im Betriebszustand Kühlmittel strömt. Das heißt, dass das Widerstandselement allseits im Hohlraum (und damit im Kühlmittelstrom) eingebettet ist, wobei "allseits" sich auf den Umfang relativ zur elektrischen Stromflussrichtung bzw. zur Erstreckungsrichtung des Widerstandselementes bezieht und Punkte für die elektrische Stromzufuhr und -ableitung ausnimmt. Die Einbettung des Widerstandselementes im Hohlraum bzw. Kühlmittelstrom hat den Vorteil, dass besonders effizient Verlustwärme vom Widerstandselement abgeführt werden kann.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Widerstandselement und der Innenwand des Kühlkanals in dessen rohrförmigem Abschnitt ein Ummantelungsrohr angeordnet. Das Ummantelungsrohr kann dabei einen kreisrunden oder jeden beliebigen anderen Querschnitt haben. Es kann insbesondere Metalle, Keramik, Metalloxide und/oder Metallnitride enthalten oder hieraus bestehen. Durch das Ummantelungsrohr wird eine mechanisch stabile Unterbringung des Widerstandselementes im Kühlkanal gewährleistet, wobei dieses Rohr vorzugsweise gute Wärmeleiteigenschaften hat, die den Abtransport von Wärme in den Kühlmittelstrom fördern.
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Gemäß einer Weiterbildung der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist zwischen dem Widerstandselement und dem Ummantelungsrohr eine elektrische Isolierung angeordnet. Diese verhindert, dass das ein leitfähiges Ummantelungsrohr an der Leitung des elektrischen Stromes durch das Widerstandselement teilnimmt bzw. Kurzschlüsse verursachen kann.
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Das Ummantelungsrohr kann optional an seiner Außenseite Vorsprünge aufweisen, welche seine Oberfläche vergrößern und dadurch für eine bessere Wärmeabgabe in das Kühlmittel sorgen. Die Vorsprünge können beispielsweise als in Längsrichtung des Ummantelungsrohres verlaufende, radial abstehende Rippen ausgebildet sein.
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Das Widerstandselement kann optional in einer Masse eingebettet sein, welche anorganische Füllstoffe enthält. Beispiele für derartige Füllstoffe sind insbesondere Metalloxide und/oder Metallnitride, beispielsweise Aluminiumoxide und/oder Aluminiumnitride. Die Masse ist vorzugsweise elektrisch isolierend. Sie stellt dann ein Beispiel für die vorstehend beschriebene Ausführungsform dar, bei welcher das Widerstandselement innerhalb des Ummantelungsrohres in die isolierende Masse eingebettet ist, so dass kein elektrischer Kontakt zwischen Widerstandselement und Ummantelungsrohr besteht. Die Verwendung von einer Masse mit anorganischen Füllstoffen hat den Vorteil, dass das Widerstandselement elektrisch von seiner Umgebung isoliert werden kann, wobei die genannten Füllstoffe eine gute Wärmeleitfähigkeit bei hoher elektrischer Durchschlagsfestigkeit aufweisen.
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Der flüssigkeitsgekühlte Widerstand lässt sich in seiner Leistung durch eine entsprechende Dimensionierung des Widerstandselementes und des Kühlkanals dem Bedarf anpassen. Beispielsweise kann eine hohe elektrische Leistungsaufnahme durch eine entsprechend große Länge des Kühlkanals und des Widerstandselementes erreicht werden. Eine hohe Leistungsaufnahme bei gleichzeitig kompakter Bauweise lässt sich darüber hinaus realisieren, wenn der flüssigkeitsgekühlte Widerstand mindestens zwei Kühlkanäle der genannten Art mit zugehörigen, jeweils in einem rohrförmigen Abschnitt angeordneten Widerstandselementen aufweist, d. h. wenn der einfache flüssigkeitsgekühlte Widerstand im Wesentlichen mehrfach vorgesehen und angeordnet wird. Die Widerstandselemente können dabei elektrisch in Serie geschaltet werden, elektrisch parallel geschaltet werden, oder in Mischformen dieser Schaltungsarten angeordnet sein, wenn sie gemeinsam der Ableitung eines elektrischen Stromes dienen sollen. Wenn mehrere elektrische Ströme verschiedener Stromkreise abgeleitet werden sollen, bleiben die Widerstandselemente in der Regel elektrisch separat.
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Eine besonders kompakte Bauform bei effizienter Kühlung ergibt sich, wenn der flüssigkeitsgekühlte Widerstand mindestens zwei Kühlkanäle mit entsprechenden Widerstandselementen aufweist, wobei die Kühlkanäle an einen gemeinsamen Verteiler für zugeführtes Kühlmittel und/oder an einen gemeinsamen Sammler für abzuleitendes Kühlmittel angeschlossen sind. Der flüssigkeitsgekühlte Widerstand benötigt dann nur eine einzige Zuleitung für Kühlmittel bzw. nur einen einzigen Abfluss für Kühlmittel.
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Der vorstehend genannte Verteiler und/oder der Sammler sind vorteilhafterweise so gestaltet, dass sich beim Betrieb in den angeschlossenen Kühlkanälen ein in etwa gleich großer Kühlmittelstrom – und damit eine gleich große Kühlleistung – einstellt. Beispielsweise kann die Geometrie des Verteilers so sein, dass im Betrieb an allen Eingängen von Kühlkanälen in etwa der gleiche dynamische Druck herrscht.
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Eine besonders vorteilhafte Bauweise eines flüssigkeitsgekühlten Widerstandes mit mindestens zwei Kühlkanälen und zugeordneten Widerständen ergibt sich, wenn diese Kühlkanäle und Widerstandselemente geometrisch parallel zueinander angeordnet sind.
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Vorzugsweise werden mehrere vorhandene Kühlkanäle in einem einstückigen Block ausgebildet, so dass eine enge thermische Kopplung entsteht. Ungleichheiten bei der Erzeugung von Verlustwärme können dann über den Block ausgeglichen werden, so dass alle Kühlkanäle in etwa gleichermaßen an der Ableitung von Verlustwärme beteiligt werden. Der Block kann beispielsweise Metall, Kunststoff oder Keramik enthalten oder aus diesen Materialien bestehen.
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Der Widerstand kann optional Mittel zur Lenkung einer Kühlmittelströmung im Kühlkanal enthalten, beispielsweise Rippen oder Flügel, mit denen die Strömung des Kühlmittels beeinflusst werden kann. Insbesondere können die Lenkungsmittel so ausgelegt sein, dass sie einen Drall erzeugen, d. h. eine spiralförmige Strömung des Kühlmittels um das Widerstandselement herum. Die genannten Mittel können vorzugsweise an der Innenwand des Kühlkanals und/oder an der Außenwand eines Ummantelungsrohres angeordnet sein.
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Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figuren beispielhaft näher erläutert.
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Dabei zeigt:
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1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen flüssigkeitsgekühlten Widerstand;
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2 einen Querschnitt durch den Widerstand von 1 entlang der Linie II-II;
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3 den Widerstand von 1 mit Kühlmittelanschlüssen in einer perspektivischen Explosionsansicht;
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4 einen Querschnitt durch ein Ummantelungsrohr mit radialen Rippen.
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Der in den Figuren teilweise schematisch dargestellte flüssigkeitsgekühlte Widerstand 100 stellt eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Er enthält die folgenden Komponenten:
- – Eine Anzahl von (hier sechs) gleichartigen Widerstandselementen 101, die geometrisch parallel zueinander angeordnet sind. Die Widerstandselemente 101 werden durch elektrische Leiter gebildet, die in den Figuren zylinderförmig dargestellt sind. Im Detail können die Widerstandselemente 101 jedoch eine nicht näher dargestellte "Feinstruktur" haben, gemäß der sie z. B. spiralförmig entlang der Erstreckungsachse gewickelt sein können.
- – Eine entsprechende Anzahl von Ummantelungsrohren 103, beispielsweise Kupferrohren, wobei jedes Ummantelungsrohr 103 eines der vorgenannten Widerstandselemente 101 umgibt, ohne dies zu kontaktieren.
- Um eine mechanisch stabile, elektrisch isolierende, und thermisch gut leitende Unterbringung der Widerstandselemente 101 in den Ummantelungsrohren 103 zu gewährleisten, sind die Widerstandselemente 101 in den Ummantelungsrohren in einer elektrisch isolierenden Vergussmasse 102 eingebettet. Diese Vergussmasse kann anorganische Füllstoffe enthalten oder hieraus bestehen, beispielsweise Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid.
- – Eine entsprechende Anzahl von Kühlkanälen K, welche im dargestellten Beispiel in einem gemeinsamen einstückigen Block 104 aus Metall ausgebildet sind. Die Kühlkanäle K umfassen jeweils einen rohrförmigen (hier kreiszylindrischen) Abschnitt, welcher sich geradlinig durch den genannten Block 104 erstreckt. In jedem der Kühlkanäle K ist mittig eines der genannten Ummantelungsrohre 103 mit dem darin eingebetteten Widerstandselement 101 angeordnet, wobei die Widerstandselemente 101 typischerweise über die beiden Enden der Kanäle K ein Stück weit hervorstehen, um elektrisch (z. B. in Serien- oder Parallelschaltung) angeschlossen werden zu können (nicht dargestellt).
- – Einen Verteiler 105 und einen Sammler 106, welche kappenförmig die Enden der Kühlkanäle K am Block 104 abdecken und über welche ein Kühlmittel (z. B. ein Ethylenglykol/Wasser-Gemisch) zugeführt bzw. abgeführt werden kann. Der Verteiler 105 sorgt für eine gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels in die Kühlkanäle K. In ähnlicher Weise sorgt der Sammler 106 für das Auffangen des austretenden Kühlmittels und dessen gemeinsame Ableitung.
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Der zwischen der Innenwand der Kanäle K und der Außenwand der Ummantelungsrohre 103 verbleibende Hohlraum ist hier ein Hohlzylinder oder Ringspalt RS. Er hat vorzugsweise eine geringe Dicke Δ, welche kleiner ist als ca. 10 % des Durchmessers des Kühlkanals an der entsprechenden Stelle. Wenn wie dargestellt der Durchmesser eines Kühlkanals K mit D und der Durchmesser des zugehörigen Ummantelungsrohres 103 mit d bezeichnet wird, lautet vorstehende Bedingung als Formel: Δ = (D – d)/2 ≤ D·10/100
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Bei allgemeineren Geometrien können, bezogen auf einen Punkt an der Innenwand des Kühlkanals (K), die verwendeten Größen wie folgt definiert werden: Die "Dicke Δ des Hohlraumes" kann gemessen werden als der Durchmesser der größten (gedachten) Kugel, welche ganz im Hohlraum (RS) liegt und den betrachteten Punkt enthält. Der "lokale Durchmesser D des rohrförmigen Abschnittes" kann gemessen werden als der Durchmesser der größten (gedachten) Kugel, welche ganz im rohrförmigen Abschnitt liegt und den betrachteten Punkt enthält.
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In Absolutwerten gesehen ist die Dicke (Δ) des Hohlraumes vorzugsweise kleiner als ca. 2 mm.
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Durch den Hohlraum RS kann beim Betrieb des Widerstandes 100 ein Kühlmittel im Wesentlichen parallel zur Erstreckungsrichtung des Widerstandselementes 101 geleitet werden (vgl. Blockpfeile in 1).
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Mit dem beschriebenen Aufbau wird ein flüssigkeitsgekühlter Widerstand bereitgestellt, der bei einer kompakten Bauform eine effiziente Ableitung hoher Verlustleistungen erlaubt. Insbesondere kann die Auslegung dabei so erfolgen, dass verhältnismäßig hohe Ströme durch die Widerstandselemente geleitet werden können, beispielsweise Ströme von ca. 250 A oder mehr.
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4 zeigt einen Querschnitt durch eine alternative Ausführungsform eines Ummantelungsrohres 103', das optional anstelle des oben beschriebenen Ummantelungsrohres 103 verwendet werden könnte. Im Unterschied zu Letzterem hat es an seiner Außenseite Vorsprünge V zur Vergrößerung der Oberfläche und damit zur Verbesserung der Wärmeabgabe. Die Vorsprünge V können beispielsweise als über den Umfang verteilt angeordnete, radial abstehende Rippen ausgebildet sein. In Längsrichtung (d. h. senkrecht zur Zeichenebene von 4) können die Vorsprünge V gerade und parallel zur Achse des Ummantelungsrohres 103' verlaufen. Alternativ können sie auch spiralförmig um die Achse des Ummantelungsrohres 103' umlaufen, um dem Kühlmittel einen entsprechenden Drall zu verleihen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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