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Die Erfindung betrifft einen Chopper-Widerstand mit Lastwiderstand mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
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Chopper-Widerstände dienen der Umwandlung überschüssiger elektrischer Energie in Wärme, beispielsweise in Brems-Choppern. Diese Umwandlung erfolgt bei einem Chopper-Widerstand dadurch, dass typischerweise ein Lastwiderstand oder mehrere miteinander verschaltete Lastwiderstände von einer in der Regel nicht zum Chopper-Widerstand selbst gehörenden Steuerelektronik angesteuert bestromt werden. Der Lastwiderstand weist dabei ein elektrisches Widerstandselement, z.B. einen gewendelten oder auf einen Träger gewickelter Widerstandsdraht oder ein Widerstandsgitter, auf, der bzw. das, wenn er bzw. es von elektrischem Strom durchflossen wird, Wärme erzeugt, die dann an die Umgebung abgegeben werden muss. Insofern kann auch ein Heizelement als ein elektrisches Widerstandselement angesehen werden.
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Eine bislang bei den Chopper-Widerständen der Anmelderin realisierte Bauform sah die Verwendung von Rohrheizkörpern als elektrischem Lastwiderstand vor, deren Außenmantel dann als Kühlkörper aus Metall wirkt und die Wärmeabfuhr vom Widerstandsdraht des Rohrheizkörpers an die Umgebung verbessert, gleichzeitig aber im Gegensatz zur verbreiteten Verwendung Widerstandsgittern auch sofort sicherstellt, dass am Außenmantel keine Spannung anliegt, so dass eine spezielle zusätzliche elektrisch isolierende Lagerung nicht mehr zwingend erforderlich ist.
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Trotzdem wäre es wünschenswert, die Effizienz eines Chopper-Widerstands sowohl hinsichtlich der Energieumwandlung in Wärme als auch hinsichtlich der Herstellungskosten weiter zu erhöhen. Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, einen insbesondere hinsichtlich dieser Aspekte verbesserten Chopper-Widerstand bereitzustellen. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Chopper-Widerstand mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Der erfindungsgemäße Chopper-Widerstand hat mindestens einen Lastwiderstand, der insbesondere durch eine Steuerelektronik zur Steuerung des Stromflusses durch den mindestens einen Lastwiderstand gesteuert werden kann, wobei der Lastwiderstand ein Widerstandselement, das in einem Kühlkörper aus Metall angeordnet ist oder das einen Kühlkörper aus Metall durchsetzt, aufweist. Die Steuerelektronik kann, muss aber nicht zum Chopper-Widerstand gehören.
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Erfindungswesentlich ist, dass der Kühlkörper aus Metall eine Widerstandskammer und mindestens einen Kühlkanal aufweist, der an einen Wandabschnitt der Widerstandskammer angrenzt und im Wesentlichen parallel zur Widerstandskammer verläuft. Es hat sich herausgestellt, dass auf diese Weise eine sehr effiziente Wärmeabgabe an die Umgebung erfolgen kann.
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Besonders bevorzugt ist ein solcher Aufbau für luftgekühlte Chopper-Widerstände. Es zeigt sich, dass die Luft im Kühlkanal bei ihrer Erwärmung einen Kamineffekt erzeugt, der zu einer ganz besonders effizienten Wärmeabnahme durch die Umgebungsluft führt und den Chopper-Widerstand so hocheffektiv macht, dass zumindest in manchen Fällen, in denen bislang eine Wasserkühlung als erforderlich angesehen wurde eine solche, die zusätzlichen Aufwand und zusätzliche Betriebsrisiken mit sich bringt, ohne Wasserkühlung gearbeitet werden kann.
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Bevorzugt ist es, wenn die Widerstandskammer rohrförmig ist. Angemerkt sei, dass der Begriff „rohrförmig“ zunächst keine Beschränkung auf eine kreisförmige Querschnittsgeometrie in Richtung senkrecht zur Verlaufsrichtung des Rohres beinhaltet, sondern die Querschnittsgeometrie frei lässt. Ferner umfasst der Begriff „rohrförmige Widerstandskammer“ im Sinne dieser Anmeldung auch Ausführungsformen, in denen eine Wand der Widerstandskammer über ihre gesamte Länge hinweg durch eine Ausnehmung oder einen Spalt durchbrochen ist.
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Die Widerstandskammer kann aber gegebenenfalls auch nicht rohrförmig sein, sondern z.B. durch eine Nut, in die das Widerstandselement oder eine das Widerstandselement enthaltende Baugruppe, z.B. eine Heizpatrone oder ein Rohrheizkörper, eingelegt oder eingepresst wird, gebildet werden.
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In einer weiteren alternativen Ausgestaltung einer Widerstandskammer können deren Wände aus einzelnen Wandabschnitten zusammengesetzt sein, zwischen denen das Widerstandselement oder eine das Widerstandselement enthaltende Baugruppe angeordnet und fixiert wird.
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Besonders stark kann man diesen Kamineffekt ausnutzen, wenn die Widerstandskammer des Lastwiderstands von Kühlkanälen umgeben ist.
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Vorteilhaft ist ein Aufbau der Kühlkanäle, bei dem diese eine Innenwand, die von einem Wandabschnitt der Widerstandskammer des Lastwiderstands gebildet wird, eine Außenwand, die einen Abschnitt der Umfangsfläche des Lastwiderstands bildet und zwei Tragwände aufweisen.
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Bevorzugt ist dabei, wenn die Ausdehnung zumindest einiger der Tragwände der Kühlkanäle, d.h. die Länge der Kurve, die den Verlauf der Tragwand zwischen ihrem proximalen, an die Widerstandskammer angrenzenden und ihrem distalen, an die Außenwand angrenzenden Ende beschreibt, zwischen ihrem proximalen Ende und ihrem distalen Ende mindestens das 2,5-fache des größten Durchmessers der Widerstandskammer beträgt; noch größere Tragwände bis hin zu Ausdehnungen vom vier- bis fünffachen des größten Durchmessers (d.h. der längsten direkten Verbindungslinie zwischen einander gegenüberliegenden Punkten der Außenseite der Widerstandskammerwand, betrachtet in der Querschnittsfläche, die den Kühlkanal senkrecht schneidet) der Widerstandskammer können anwendungsabhängig zu noch besseren Ergebnissen führen. De facto führt diese Geometrie zu Kühlkanälen, in denen ein relativ großes Luftvolumen vorhanden ist, das somit eine relativ große Wärmemenge aufnehmen kann, ehe man sich einem Temperaturgleichgewicht zwischen der im Kanal geführten Umgebungsluft und der Oberfläche der Widerstandskammer annähert, was zu einem Wegbrechen der Kühlwirkung führt.
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Weiter hat es sich als vorteilhaft für die erzielbare Kühlwirkung bzw. Wärmeabfuhr erwiesen, wenn es mindestens ein Paar von benachbarten Tragwänden eines Kühlkanals gibt, bei dem die proximalen Enden der benachbarten Tragwände des Kühlkanals in einem geringeren Abstand voneinander verlaufen als die distalen Enden der benachbarten Tragwände. Vorzugsweise erfüllen alle Tragwände von Kühlkanälen diese Bedingung. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Abstand zwischen mindestens zwei benachbarten Tragwänden eines Kühlkanals von ihrem proximalen Ende hin zu ihrem distalen Ende monoton wächst.
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Eine für die Wärmeabfuhr besonders vorteilhafte Kühlkörpergeometrie ergibt sich, wenn die Tragwände des Kühlkanals sich in radialer Richtung von der Widerstandskammer weg erstrecken und die Widerstandskammer umgeben, so dass die durch die Widerstandskammer und die Tragwände der Kühlkanäle gebildete Unterstruktur des Kühlkörpers aus Metall einen im Wesentlichen sternförmigen Querschnitt hat.
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Bevorzugt ist dabei, wenn das Verhältnis der Ausdehnung der Tragwände der Kühlkanäle zu ihrer Dicke größer als 20, besonders bevorzugt größer als 30, höchst bevorzugt größer als 40 ist. Dieses Verhältnis beeinflusst die Dynamik beim Aufheizen bzw. Abkühlen.
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Das bevorzugte Material für den Kühlkörper aus Metall ist Aluminium, vorzugsweise eloxiertes Aluminium.
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In einer bevorzugten Weiterbildung des Chopper-Widerstands hat der Chopper-Widerstand mehrere -beispielsweise in einer Linie hintereinander angeordnete- Lastwiderstände, die mechanisch miteinander zu einem Modul verbunden sind. Dies kann insbesondere durch eine oder mehrere Schienen erfolgen, welche zumindest teilweise an Befestigungsmitteln der Lastwiderstände befestigt sind, die an Wänden des Kühlkanals angeordnet sind. Auf der anschlussseitigen Seite des Lastwiderstands, an der die Anschlüsse des Widerstandselements aus dem Lastwiderstand herausragen, kann dies auch eine Schiene mit einer mittigen, U-förmigen Vertiefung sein, in der dann die elektrischen Zuleitungen geführt sind.
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Als vorteilhaft hat es sich ferner erwiesen, wenn die miteinander zu einem Modul verbundenen Lastwiderstände so elektrisch miteinander verbunden sind, dass sie gemeinsam abgesichert und/oder gemeinsam angesteuert werden können.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Anschlüsse der Lastwiderstände isoliert aus dem Lastwiderstand herausgeführt sind.
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Noch weiter ist es besonders bevorzugt, wenn die Anschlüsse der Lastwiderstände nach unten, also entgegen der Richtung, in der die Kaminwirkung einen Luftzug erzeugt, aus dem Lastwiderstand herausgeführt sind. Dort herrscht eine geringere Umgebungstemperatur, so dass eine Isolation der Anschlüsse weniger beansprucht wird, was gegebenenfalls den Einsatz preisgünstigerer Isolierwerkstoffe ermöglicht.
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Vorzugsweise werden die Lastwiderstände und/oder die aus Lastwiderständen gebildeten Module innerhalb eines Außengehäuses mit Öffnungen, insbesondere innerhalb einer Gitterbox angeordnet sind.
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Die besten Ergebnisse werden mit Chopper-Widerständen erzielt, bei denen die Lastwiderstände so orientiert sind, dass Kühlkanäle dann, wenn der Chopper-Widerstand in seiner regulären Betriebsposition angeordnet ist, relativ zum Erdboden in etwa vertikal verlaufen. Vermutlich hat dies mit der sich ausbildenden Dynamik der Wärme von den Kühlkanälen abtransportierenden Luft zu tun, die aufsteigt und von unten durch kältere Luft ersetzt wird.
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Bei dieser geometrischen Anordnung erweist es sich als Vorteilhaft, Lastwiderstände einzusetzen, deren Wärmeabgabe über ihre Länge hinweg variiert. Insbesondere können die Abschnitte des Lastwiderstands, die unten, also in der Nähe der Stelle, an der die Luft eingesaugt wird, angeordnet sind, für eine stärkere Wärmeabgabe ausgelegt sein als in Förderrichtung der Luft weiter oben liegende Abschnitte des Lastwiderstands.
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Praktisch lässt sich dies beispielsweise bei der Verwendung von Heizpatronen oder Rohrheizkörpern dadurch erreichen, dass die Wendelsteigung des Widerstandselements der Heizpatrone oder des Rohrheizkörpers variiert wird.
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Um die Luftdynamik im Chopper-Widerstand weiter zu optimieren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Kühlkörper der Lastwiderstände so anzuordnen, dass sie voneinander beabstandet sind.
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Bevorzugt ist dabei weiter, wenn das elektrische Widerstandselement das elektrische Widerstandselement einer Heizpatrone oder eines Rohrheizkörpers ist, die in der Widerstandskammer angeordnet ist. Der große Vorteil, der dadurch erzielt wird besteht darin, dass damit auch verdichtete Systeme verwendet werden können, die einen wesentlich besseren Wärmetransport gewährleisten.
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Dabei können beispielsweise Heizpatronen verwendet werden, bei denen das elektrische Widerstandselement ein auf einen Trägerkörper, z.B. einen Trägerkörper aus Keramik, gewickelter Heizdraht ist, der in einer Isolierstofffüllung, z.B. einer Magnesiumoxidfüllung, innerhalb des Innenraums eines rohrförmigen Metallmantels angeordnet und durch die Isolierstofffüllung von diesem elektrisch isoliert ist.
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Es ist aber auch möglich, solche Heizpatronen zu verwenden, bei denen bei denen das elektrische Widerstandselement eine Heizdrahtwendel ist, die auf der der Anschlussseite gegenüberliegenden Seite der Heizpatrone umgelenkt wird und wieder zur Anschlussseite zurückläuft, die ebenfalls einer Isolierstofffüllung, z.B. einer Magnesiumoxidfüllung, innerhalb des Innenraums eines rohrförmigen Metallmantels angeordnet und durch die Isolierstofffüllung von diesem elektrisch isoliert ist.
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In einer überaus vorteilhaften Alternative dazu, die auch als separate Erfindung angesehen wird, kann das elektrische Widerstandselement auch das elektrische Widerstandselement eines Rohrheizkörpers sein, das durch die Widerstandskammer mehrerer Kühlkörper hindurchgeführt ist. Dies vereinfacht die Ansteuerung und Kontaktierung des Chopper-Widerstands erheblich und löst mögliche Probleme bei der Abdichtung. Zudem wird eine verbesserte Temperaturbeständigkeit erreicht. Die Kühlkörper können gleich oder unterschiedlich aufgebaut sein und können, müssen aber nicht zwingend Kühlkanäle aufweisen.
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Dementsprechend weist ein Chopper-Widerstand gemäß der zweiten Erfindung mindestens einen Lastwiderstand, der insbesondere durch eine Steuerelektronik zur Steuerung des Stromflusses durch den mindestens einen Lastwiderstand gesteuert werden kann, auf. Dabei weist der Lastwiderstand ein Widerstandselement, das mehrere Abschnitte hat, die jeweils in einem Kühlkörper aus Metall angeordnet sind und diesen durchsetzen auf, wobei die Kühlkörper aus Metall jeweils eine Widerstandskammer zur Aufnahme der entsprechenden Abschnitte des Widerstandselements haben. Diese Erfindung kann in gleicher Weise weitergebildet werden wie die Erfindung, auf die der Patentanspruch 1 gerichtet ist.
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Dabei kann insbesondere der Widerstand der elektrischen Widerstandselements des Rohrheizkörpers in Abschnitten des Rohrheizkörpers, die innerhalb von Widerstandskammern von Kühlkörpern geführt sind, höher sein als in andere Abschnitten des Rohrheizkörpers, um zu verhindern, dass in den Abschnitten, in denen kein Kühlkörper die Wärmeabfuhr unterstützt, eine zu große Belastung auf den Rohrheizkörper wirkt.
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Sowohl bei der Verwendung von Heizpatronen als auch bei der Verwendung von Rohrheizkörpern können die Widerstandselemente in MgO-Granulat, insbesondere imprägniertes und/oder verdichtetes MgO-Granulat, eingebettet sein, was die Wärmeabfuhr besonders gut werden lässt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren, die ein Ausführungsbeispiel zeigen, näher erläutert. Es zeigt:
- 1: ein Ausführungsbeispiel eines Chopper-Widerstands,
- 2: ein Lastwiderstandsmodul des Chopper-Widerstands aus 1,
- 3: einen Querschnitt durch das Lastwiderstandsmodul aus 2, und
- 4: ein alternatives Lastwiderstandsmodul.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Chopper-Widerstands 200. Der Chopper-Widerstand 200 weist drei Module 210 mit jeweils drei in der regulären Betriebsposition des Chopper-Widerstands 200 in vertikaler Richtung verlaufenden, miteinander elektrisch verschalteten Lastwiderständen 100 auf, die im als Gitterbox ausgestalteten Außengehäuse 220 mit Öffnungen angeordnet sind. Die Module 210 sind elektrisch mit einem Anschlusskasten 230 verbunden.
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2 zeigt eine Einzeldarstellung eines der Module 210. Die drei Lastwiderstände 100 sind in ihrem oberen, dem anschlussseitigen Ende gegenüberliegenden Bereich mit Schienen 211,212 verbunden, die mit an distalen Enden von Kühlkanälen 155 der Lastwiderstände 100 angeordneten Befestigungsmitteln verschraubt sind.
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Im unteren, anschlussseitigen Bereich sind die Lastwiderstände 100 mit einer weiteren Schiene 213 verbunden, die in ihrem mittleren Bereich eine U-förmige Vertiefung 213a und beidseitig der U-förmigen Vertiefung 213a breite flache Ränder 213b,213c aufweist, über die ebenfalls eine Verbindung zu an distalen Enden von Kühlkanälen der Lastwiderstände 100 angeordneten Befestigungsmitteln 153 hergestellt wird. In der U-förmigen Vertiefung 213a werden Anschlusskabel 140 der Lastwiderstände 100 zu einem Klemmenblock 214 geführt.
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Der Lastwiderstand 100 weist ein in den Figuren nicht sichtbares, als Widerstandselement einer Heizpatrone ausgeführtes Widerstandselement, und einen Kühlkörper 150 aus Metall auf. Dabei weist der Kühlkörper 150 aus Metall eine hier rohrförmig ausgebildete Widerstandskammer 151 mit kreisförmigem Querschnitt und Kühlkanäle 155 auf, die jeweils an einen Wandabschnitt der Widerstandskammer 151 angrenzen und im Wesentlichen parallel zur Widerstandskammer 151 verlaufen, die so angeordnet sind, dass die Widerstandskammer 151 des Lastwiderstands 100 von Kühlkanälen 155 umgeben ist.
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Die Kühlkanäle 155 weisen jeweils eine Innenwand 156, die von einem Wandabschnitt der Widerstandskammer 151 des Lastwiderstands 100 gebildet wird, eine Außenwand 157, die einen Abschnitt der Umfangsfläche des Lastwiderstands 100 bildet und zwei Tragwände 158, 159 auf. Die Ausdehnung l der Tragwände 158, 159 der Kühlkanäle 155 zwischen ihrem proximalen Ende 158a, 159a und ihrem distalen Ende 158b, 159b beträgt, wie insbesondere die 3 deutlich zeigt, mindestens das 2,5-fache des wegen der Kreisgeometrie des Querschnitts der hier rohrförmigen Widerstandskammer 151 einzigen und damit auch größten Durchmessers d der Widerstandskammer 151.
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Man erkennt in der 2 weiter, dass jeweils bei Paaren von benachbarten Tragwänden 158, 159 eines Kühlkanals 155 die proximalen Enden 158a,159a der benachbarten Tragwände 158, 159 des Kühlkanals 155 in einem geringeren Abstand voneinander verlaufen als die distalen Enden 158b, 159b der benachbarten Tragwände 158, 159, wobei der Abstand zwischen mindestens zwei benachbarten Tragwänden 158, 159 eines Kühlkanals 155 von ihrem proximalen Ende 158a,159a hin zu ihrem distalen Ende 159a,159b monoton, sogar streng monoton, stetig und gleichmäßig, wächst.
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Die Tragwände 158, 159 des Kühlkanals 155 erstrecken sich in radialer Richtung von der hier rohrförmigen Widerstandskammer 151 weg erstrecken und umgeben die Widerstandskammer 151, so dass die durch die Widerstandskammer 151 und die Tragwände 158, 159 der Kühlkanäle 155 gebildete Unterstruktur des Kühlkörpers 150 aus Metall einen im Wesentlichen sternförmigen Querschnitt hat.
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Hingewiesen wird ferner darauf, dass das Verhältnis der Ausdehnung l der Tragwände 158, 159 der Kühlkanäle 155 zu ihrer Dicke D deutlich größer als 20 ist, was man in der 3 deutlich erkennen kann.
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In der Darstellung der 3 erkennt man ferner gut, dass der gewendelt verlaufende, in elektrisch isolierendes Material 114 eingebettete Widerstandsdraht 111 der Widerstandsdraht 111 einer Heizpatrone 110 mit rohrförmigem Metallmantel 113 und Anschlussdraht 115 ist.
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Das in der 4 gezeigte alternative Lastwiderstandsmodul 500 für den Chopper-Widerstand 200 gemäß 1 weist die Besonderheit auf, dass das verwendete Widerstandselement nicht, wie zuvor beschrieben, das Widerstandselement einer Heizpatrone, die jeweils in einer Widerstandskammer eines Kühlkörpers aufgenommen ist, ist, sondern das Widerstandselement eines Rohrheizkörpers 510, der jeweils durch in diesem Beispiel zwei Kühlkörper 550,560 geführt ist. Die Kühlkörper 550,560 sind dabei analog zum Kühlkörper 150 aufgebaut.
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Im Bereich 570 ist dabei das Widerstandselement des Rohrheizkörpers 510 so modifiziert, dass dort weniger Wärmeenergie erzeugt wird, im Extremfall entsprechend einem unbeheizten Bereich des Rohrheizkörpers. Gegebenenfalls kann durch Anordnung z.B. eines Wärmeleitkörpers auf einem solchen Abschnitt auch hier die Wärmeabgabe noch optimiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Lastwiderstand
- 110
- Heizpatrone
- 111
- Widerstandselement
- 113
- rohrförmiger Metallmantel
- 114
- elektrisch isolierender Stoff
- 115
- Anschlussdraht
- 140
- Anschlusskabel
- 150
- Kühlkörper
- 151
- Widerstandskammer
- 153,154
- Befestigungsmittel
- 155
- Kühlkanal
- 156
- Innenwand
- 157
- Außenwand
- 158,159
- Tragwand
- 158a,159a
- proximales Ende
- 158b, 159b
- distales Ende
- 200
- Chopper-Widerstand
- 210
- Modul
- 211,212,213
- Schiene
- 213a
- U-förmige Vertiefung
- 213b,213c
- flacher Rand
- 214
- Klemmenblock
- 220
- Außengehäuse
- 230
- Anschlusskasten
- 500
- Lastwiderstandsmodul
- 510
- Rohrheizkörper
- 550,560
- Kühlkörper
- 570
- Bereich
- d
- Durchmesser
- l
- Ausdehnung
- D
- Dicke
