-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zur Übertragung von Wärmeenergie an ein flüssiges Medium. Anwendung findet dieses beispielsweise als flüssigkeitsgekühlter Bremswiderstand.
-
Gekühlte Widerstände sind Wärmetauschvorrichtungen, in welchen elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt und durch eine entsprechende Kühlung aus dem Bauteil abtransportiert wird. Relevant ist hier, dass sich Widerstände nicht überhitzen, da deren Materialien sonst beschädigt werden könnten, was zu einer Verschlechterung der Funktion und evtl. sogar zum Ausfall dieser Bauteile führen könnte. Zudem ist in solchen Bauteilen eine möglichst homogene Temperaturverteilung von Vorteil.
-
Die vorliegende Erfindung findet beispielsweise im Bereich der Antriebstechnik Anwendung - hier kann überschüssige Bremsenergie in Bremswiderständen umgesetzt werden - kinetische Energie wird also beispielsweise von einer generatorischen Bremse wie zum Beispiel die Antriebmaschine im Rekuperationsmodus in elektrische Energie umgewandelt, und diese wird, wenn sie nicht anderweitig verwendet werden kann, in einem gekühlten Bremswiderstand umgesetzt - der Widerstand agiert sozusagen als Verbraucher, wandelt die elektrische Energie in Wärmeenergie um, welche dann entsprechend abgeführt werden muss, um eine lokale Überhitzung des Bremswiderstands zu vermeiden.
-
Ein solcher Bremswiderstand muss eine entsprechende Spannungsfestigkeit, eine hinreichend große Druckstabilität (falls das durchströmende Medium einen höheren Druck aufweist) und eine Leistungsbeanspruchung aufweisen bzw. aushalten können, um für den Einsatz tauglich zu sein.
-
Bremswiderstände kommen beispielsweise in E-Trucks (Lastwagen mit Elektromotoren) und E-Bussen zum Einsatz, aber auch im Schienenfahrzeugbereich und in anderen Antriebskonzepten können Bremswiderstände eingesetzt werden, insbesondere in solchen Antriebskonzepten, wo geringe Bauräume und Schallemissionsgrenzen vorhanden sind.
-
Sie dienen dazu, überschüssige elektrische Energie umzusetzen, wenn diese nicht anderweitig gespeichert werden kann - beispielsweise dann, wenn ein Akkumulator, welcher Strom für den Elektromotor liefert, voll geladen ist, aber das Fahrzeug trotzdem über eine generatorische Bremse gebremst werden muss.
-
Aus dem Stand der Technik sind viele luftgekühlte Bremswiderstände bekannt. Diese erfordern allerdings ein entsprechendes Belüftungssystem zur Abkühlung und daher einen entsprechend großen Bauraum.
Im Stand der Technik sind auch verschiedene Bauformen von flüssigkeitsgekühlten Bremswiderständen bekannt. Beispielsweise kann ein Aktivelement, d.h. der eigentliche elektrische Widerstand, in einem Aluminiumgehäuse oder Rohrheizkörper eingebettet werden, das Kühlmedium hat dann keinen direkten Kontakt zum Widerstand, sondern wird durch entsprechende Bohrungen im Aluminiumgehäuse geführt, wo es Wärme aufnimmt und dadurch den Widerstand abkühlt. Auch können Rohrheizkörper in einen geschlossenen Behälter eingesetzt werden, der entsprechend gekühlt wird.
-
Ferner sind flüssigkeitsgekühlte Bremswiderstände in modularer Bauweise möglich, und der eigentliche Widerstand, also das Aktivelement, kann in einem Strömungskanal innerhalb eines Gehäuses eingebettet werden. Die elektrische Isolation zwischen Kühlmittel und Aktivelement kann beispielsweise durch eine Silikonummantelung realisiert werden.
-
Bei der Bauform, in welcher das Aktivelement in einem Rohrheizkörper isoliert wird, ist der Rohrheizkörper isoliert und flüssigkeitsdicht aufgebaut. Das Kühlmittel kann dann den Rohrheizkörper umströmen und Wärme entsprechend abführen.
-
Aus dem Dokument
DE 37 08 436 A1 ist ein elektrischer Widerstand bestehend aus einer Widerstandsbahn, die zwischen zwei Metallplatten unter Zwischenlage von Isolierschichten eingelegt ist, bekannt, wobei die Metallplatten Aluminiumplatten sind und die Isolierschichten von Oxidschichten gebildet werden.
-
Im Dokument
EP 2 592 633 A1 ist ein flüssigkeitsgekühlter Bremswiderstand offenbart, welcher einen Block, einen Flüssigkeitseinlass, einen Flüssigkeitsauslass und einen Hohlraum aufweist. Der Hohlraum weist eine offene Seite auf, die durch eine thermisch leitende, aber elektrisch isolierende flache Schicht abgeschlossen ist. Diese flache Schicht stützt einen flachen Widerstand, die Hauptebenen sind parallel zueinander ausgerichtet. Der Hohlraum ist mit einem Flüssigkeitsströmungsweg zwischen dem Flüssigkeitseinlass und dem Flüssigkeitsauslass versehen, und im Hohlraum sind elastisch Pressmittel untergebracht, die so ausgelegt sind, dass die flache Schicht gegen den Widerstand gepresst wird. Die elastischen Mittel weisen eine Vielzahl von Federn auf, die im internen Flüssigkeitsströmungsweg des Blocks angeordnet sind. Das Kühlmittel wird mäanderförmig am isolierten Aktivelement entlanggeführt, um eine ausreichende Wärmeaufnahme zu ermöglichen. Ein solcher Strömungsverlauf verursacht allerdings einen hohen Druckverlust, welcher durch die elastischen Elemente noch weiter verstärkt wird. Das isolierte Aktivelement nimmt ferner einen hohen Raumbedarf ein.
-
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Wärmetauschvorrichtung bereitzustellen, in welcher bei Verwendung von möglichst wenig Material und bei möglichst einfacher Fertigung eine möglichst homogene Temperaturverteilung und eine hohe Wärmeübertragungseffizienz realisiert werden kann.
-
Diese Aufgabe wird gelöst von einer Wärmetauschvorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie einem kühlbaren Widerstand gemäß Anspruch 7. Weitere bevorzugte Ausgestaltungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Eine erfindungsgemäße Wärmetauschvorrichtung umfasst eine erste Seite und eine zweite Seite.
Die erste Seite ist mit einer elektrisch isolierenden Schicht beschichtet ist, und auf der elektrisch isolierenden Schicht ist eine elektrisch leitende Vorrichtung aufgebracht oder ist in die elektrisch isolierende Schicht eingebettet. Das Fließen von elektrischem Strom in der elektrisch leitenden Vorrichtung bewirkt eine Umsetzung von elektrischer Energie in Wärmeenergie. Die freigewordene Wärmemenge wird durch Wärmeleitung an die zweite Seite der Wärmetauschvorrichtung übertragen und dort durch konvektivem Wärmeübergang von einem strömenden Fluid aufgenommen.
Auf der zweiten Seite ist ein Strömungspfad definiert, welcher dazu angepasst ist, von Kühlmittel angeströmt oder durchströmt zu werden.
Eine erfindungsgemäße Wärmetauschvorrichtung kann in Plattenbauweise oder in Rohrbündel-Bauweise ausgeführt sein.
Am Beginn des Strömungspfads ist ein Einlass, und am Ende des Strömungspfads ist ein Auslass für Kühlmittel vorgesehen. Am Einlass hat das Kühlmittel also die niedrigste Temperatur, nimmt beim An- oder Durchströmen des Strömungspfads Wärmeenergie auf und hat daher am Ende des Strömungspfads, also am Auslass, die höchste Temperatur.
Die durch Konvektion übertragbare Wärme hängt in erster Potenz vom Temperaturgradienten ab, welcher zwischen Fluid und der an- oder durchströmten Fläche im Wärmetauscher vorliegt.
-
Daher soll erfindungsgemäß immer ein möglichst hoher Temperaturgradient erreicht werden, um die Effizienz der Wärmeübertragung zu maximieren.
Daher folgt die elektrisch leitende Vorrichtung auf der ersten Seite der Wärmetauschvorrichtung im Wesentlichen dem Strömungspfad auf der zweiten Seite der Wämetauschvorrichtung, d.h. die Anordnung von elektrisch leitender Vorrichtung und Strömungspfad ist räumlich auf beiden Seiten der Wärmetauschvorrichtung im Wesentlichen gleich realisiert.
Dabei ist der ohmsche Widerstand der elektrisch leitenden Vorrichtung auf der ersten Seite an der Position, an welcher auf der zweiten Seite der Strömungspfad beginnt, größer als an der Position, an welcher auf der zweiten Seite der Strömungspfad endet. In dem Bereich der elektrisch leitenden Vorrichtung, in dem der ohmsche Widerstand am höchsten ist, wird am meisten Wärme freigesetzt. Dieser Bereich auf der ersten Seite, an dem der ohmsche Widerstand am höchsten ist, liegt nun dem Bereich auf der zweiten Seite gegenüber, an welchem Kühlmittel direkt eintritt, d.h. am Kältesten ist.
-
Vorzugsweise nimmt auf der ersten Seite der ohmsche Widerstand der elektrisch leitenden Vorrichtung von der Position, an welcher auf der zweiten Seite der Strömungspfad beginnt, bis zu der Position, an welcher auf der zweiten Seite der Strömungspfad endet, ab, vorzugsweise kontinuierlich.
Dies führt dazu, dass an der Position auf der ersten Seite, an welcher auf der zweiten Seite der Strömungspfad beginnt, durch einen hohen Widerstand viel elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird, und durch den hohen Temperaturgradienten zwischen elektrisch leitender Vorrichtung und Fluid, welches auf der zweiten Seite strömt, diese Energie auch effizient an das Fluid, welche als Kühlmedium dient, übertragen werden kann.
Dadurch ist ein hoher Wärmeeintrag in das Kühlmittel im Bereich des Einlasses und niedriger Wärmeeintrag in das Kühlmittel im Bereich des Auslasses möglich.
Analog zu einem Kreuzstromwärmetauscher ist somit, bei entsprechender Durchflussmenge und zu übertragender Leistung, eine Spreizung zwischen 20K und 40 K im Kühlmittel zwischen Einlass und Auslass möglich.
Dies ermöglicht eine homogene Temperaturverteilung in der elektrisch leitenden Vorrichtung bei Ausnutzung einer zulässigen Grenztemperatur, welche die verwendeten Materialien aufweisen.
Vorzugsweise ist die elektrisch isolierende Schicht aus Keramik, gesinterter Keramikpaste oder einem keramischen Verbundwerkstoff ausgebildet und kann durch thermisches Spritzen von Keramik, das Sintern von Keramikpasten oder ähnlichen Isoliermaterialien aufgebracht werden. Die verwendeten Materialien sind so in ihrer Materialeigenschaft ausgelegt, dass thermische Spannungen zu keiner Rissbildung führen.
Eine Schichtdicke der elektrisch isolierenden Schicht ist in Abhängigkeit der Isolationsanforderung dimensioniert und weist einen sehr geringen Wärmedurchlasswiderstand auf, welcher insbesondere durch keramische Verbundwerkstoffe erzielt werden kann - so wird der Wärmeübergang von der elektrisch leitenden Vorrichtung an das Kühlmedium nur marginal verringert.
Die Schichtdicke der elektrisch isolierenden Schicht beträgt vorzugsweise 50 - 500 µm. Die Wärmeleitfähigkeit des Materials der elektrisch leitenden Schicht liegt vorzugsweise zwischen 0,5 und 2 W/mK, weiter vorzugsweise bei 1 W/mK.
-
Die elektrisch leitende Vorrichtung weist vorzugsweise einen durch das Siebdruckverfahren aufgebrachten Leiter auf.
Vorzugsweise ist die Querschnittsfläche der elektrisch leitenden Vorrichtung auf der ersten Seite an der Position, an welcher auf der zweiten Seite der Strömungspfad beginnt, kleiner ist als an der Position, an welcher auf der zweiten Seite der Strömungspfad endet.
Die Querschnittsfläche geht in erster Potenz in den ohmschen Widerstand ein. Vorzugsweise ist die Querschnittsfläche der elektrisch leitenden Vorrichtung auf der ersten Seite so dimensioniert, dass sie sich von der Position, an welcher auf der zweiten Seite der Strömungspfad beginnt, bis zu der Position, an welcher auf der zweiten Seite der Strömungspfad endet, erhöht, vorzugsweise kontinuierlich.
Weiter verzugsweise erhöht sich die Breite der elektrisch leitenden Vorrichtung auf der ersten Seite von der Position, an welcher auf der zweiten Seite der Strömungspfad beginnt, bis zu der Position, an welcher auf der zweiten Seite der Strömungspfad endet, vorzugsweise kontinuierlich.
Die Dicke der elektrisch leitenden Vorrichtung ist dabei an jeder Position gleich. Dies kann mit einfachen technischen Mitteln realisiert werden: Dabei wird die elektrisch leitende Vorrichtung über ein Siebdruckverfahren auf der ersten Seite der Wärmetauschvorrichtung auf die elektrisch isolierende Schicht aufgedruckt, wobei ein offenporiges Sieb mit Metallsubstrat verwendet wird. Hierbei kann die lokale Breite der elektrisch leitenden Vorrichtung mit einfachen technischen Mitteln variiert werden, beispielsweise mit Schablonen. Nach dem Materialauftrag fährt eine Rakel über das Sieb, um das Metallsubstrat durch das Sieb zu pressen.
Durch die Variation der Breite der elektrisch leitenden Vorrichtung variiert auch der Querschnitt, und somit auch der ohmsche Widerstand. Eine Variation der Breite ist über ein Siebdruckverfahren sehr einfach umzusetzen.
-
Die Wärmetauschvorrichtung ist vorzugsweise aus Edelstahl ausgebildet.
Dieser Werkstoff ist korrosionsbeständig, besitzt eine gute Wärmeleitfähigkeit und ist einfach zu verarbeiten.
-
Vorzugsweise ist die Wärmetauschvorrichtung plattenförmig ausgebildet, weiter vorzugsweise als Formblech.
-
Hierbei ist am Rand der ersten Seite der Wärmetauschvorrichtung, in diesem Fall als Formblech ausgebildet, eine erste Sicke vorgesehen, und auf der zweiten Seite ist am Rand eine zweite Sicke vorgesehen, welche die Wärmetauschvorrichtung umgibt. Ferner sind auf der ersten Seite vorzugsweise dritte Sicken vorgesehen sind, welche den Einlass und den Auslass umgeben.
Weiter vorzugsweise ist die erste Sicke von der ersten Seite nach oben gebogen.
Dies erleichtert die Verbindbarkeit mit weiteren Formblechen. Ferner entsteht dadurch eine ausreichen große Kavität zwischen zwei ersten Seiten zweier Formbleche, wodurch genug Platz und Abstand für zwei elektrisch leitende Vorrichtungen vorhanden ist - eine auf der ersten Seite jedes Formblechs.
-
Noch weiter vorzugsweise ist auf der zweiten Seite ferner mindestens eine vierte Sicke vorgesehen ist.
Wenn die zweiten Seiten zweier Wärmetauschvorrichtungen sich gegenüberliegen und beide vierten Sicken miteinander verbunden werden, ist mithilfe der vierten Sicken ein möglichst langer Strömungsweg für das Kühlmittel definierbar.
-
Alle Sicken dienen der Verbindbarkeit von jeweils zwei Wärmetauschvorrichtungen - jeweils zwei Wärmetauschvorrichtungen bilden ein Formblechpaar.
-
Ein erfindungsgemäßer kühlbarer Widerstand umfasst mindestens zwei Wärmetauschvorrichtungen, vorzugsweise Formbleche. Die Kombination zweier Wärmetauschvorrichtungen ist im Folgenden auch als Formblechpaar bezeichnet.
Die jeweilige erste Seite zweier Wärmetauschvorrichtungen sind gegenüberliegend voneinander angeordnet sind und beide Wärmetauschvorrichtungen an den jeweils ersten Sicken sowie dritten Sicken miteinander verbunden, beispielsweise durch Laserschweißen oder Löten. Dadurch entsteht eine Kavität, deren Ränder abgedichtet sind.
Dies führt dazu, dass im Bereich der Einlassöffnungen und Auslassöffnungen keine Kavität vorhanden ist, sondern dass vielmehr eine gemeinsame Einlassöffnung und Auslassöffnung vorhanden ist, und durch diese keine Flüssigkeit in die Kavität eindringen kann.
-
Der Hohlraum zwischen den jeweiligen ersten Seiten zweier
Wärmetauschvorrichtungen ist vorzugsweise mit einem Füllstoff gefüllt ist, welcher weiter vorzugsweise Silikon enthält.
Die jeweiligen zweiten Seiten zweier Wärmetauschvorrichtungen sind gegenüberliegend voneinander angeordnet sind, und beide Wärmetauschvorrichtungen sind an den jeweils zweiten Sicken miteinander verbunden.
Vorzugsweise sind auch die vierten Sicken miteinander verbunden sind, weswegen zwischen den jeweiligen zweiten Seiten der beiden Formbleche ein entsprechender Strömungspfad definiert ist, welcher dazu angepasst ist, dass ein Fluid von der Einlassöffnung zu der Auslassöffnung strömen kann (entweder zwischen zwei Formblechpaaren oder aber zwischen einem Formblechpaar und einer Abschlussplatte).
Die Einlassöffnungen und die Auslassöffnungen sind jeweils nebeneinander angeordnet und durch die vierten Sicken voneinander getrennt sind, und durch die miteinander verbundenen vierten Sicken ist der Strömungspfad U-förmig.
-
Vorzugsweise sind beliebig viele Wärmetauschvorrichtungen, immer in Form von Formblechpaaren, parallel angeordnet und entsprechend miteinander verbunden, wobei als äußere Begrenzung jeweils eine Abschlussplatte vorgesehen ist.
Eine zweite Seite der ersten Wärmetauschvorrichtung ist dann vorzugsweise mit einer ersten Abschlussplatte verbunden ist und bildet mit dieser einen Strömungskanal aus. Eine zweite Seite einer letzten Wärmetauschvorrichtung ist mit einer zweiten Abschlussplatte verbunden und bildet dann mit dieser einen Strömungskanal aus. Dadurch ist eine modulare Anordnung der Formblechpaare mit einer maximal kompakten Bauweise möglich, und ferner ist kein weiteres Gehäuse zur Einhaltung des Schutzgrades notwendig ist. Der systemische Druck kann durch die Abschlussplatten aufgenommen werden, wodurch die inneren Formblechpaare (deren Wärmetauschvorrichtungen vorzugsweise dünner als die Abschlussplatten ausgebildet sind) druckstabil ausgeführt sind.
Entweder an der ersten Abschlussplatte oder an der zweiten Abschlussplatte ist ein Einlassstutzen sowie ein Auslassstutzen vorgesehen, wobei der Einlassstutzen in fluider Verbindung mit sämtlichen Einlassöffnungen aller Formbleche steht, und der Auslassstutzen in fluider Verbindung mit sämtlichen Auslassöffnungen aller Formbleche steht.
Da sämtliche Formblechpaare Einlassöffnungen und Auslassöffnungen aufweisen, bilden sich hier interne Sammelbereiche. Fluid kann also alle Formblechpaare umströmen.
Die Strömungsführung zwischen den Formblechpaaren wird dabei, ausgehend von den internen Sammelbereichen, in die einzelnen Zwischenräume zwischen Formblechpaaren geleitet, wo eine oder mehrere Umlenkungen die Strömung zum gegenüberliegenden Sammelbereich führt.
Insbesondere bei der einfachen Umlenkung ist ein geringer interner Druckverlust gegeben. Somit kann durch den Aufbau einer Parallelverschaltung des Kühlmittelstromes, ausgehend von einem Sammelbereich, mit nur einer Umlenkung ein geringer Druckverlust ermöglicht werden.
Die Parallelverschaltung mehrerer Wärmeübertragungsvorrichtungen trägt zusätzlich zu einer materialschonenden Bauweise bei.
-
Vorzugsweise sind die elektrisch leitenden Vorrichtungen zweier gegenüberliegender Wärmetauschvorrichtungen auf jeder Seite mit einem Anschlusselement verbunden, welches über die Wärmetauschvorrichtungen hervorsteht.
Vorzugsweise sind die Anschlusselemente auf der gegenüberliegenden Seite der Einlassöffnung und Auslassöffnung angeordnet - wenn die Wärmetauschvorrichtungen rechteckig ausgebildet sind, sind auf einer kurzen Seite Einlassöffnung und Auslassöffnung angeordnet, und auf der anderen kurzen Seite die Anschlusselemente.
-
Vorzugsweise ist für ein System mehrerer kühlbarer Widerstände, ferner eine elektrische Schnittstelle mit mindestens einem Kontaktelement vorgesehen
- - Es müssen aber so viele Kontaktelemente vorhanden sein, wie Anschlusselemente vorgesehen sind - in der Regel zwei pro kühlbarem Widerstand (Pluspol und Minuspol
- - bei Phasenstrom können aber auch mehr als zwei Anschlusselemente vorgesehen sein). Die Anschlusselemente sind dazu angepasst, jeweils mit einem Kontaktelement der elektrische Schnittstelle in Verbindung zu stehen, wobei ein Kontaktelement weiter vorzugsweise federnde Klammern aufweist. Somit kann zur Verfügung stehender Strom leicht auf ein System von kühlbaren Widerständen verteilt werden.
-
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher beschrieben.
Hierbei beschreiben die 1 bis 7 den grundlegenden Aufbau eines kühlbaren Widerstands, wobei die Wärmetauschvorrichtungen hier miteinander verbundene Formbleche sind.
8 zeigt den Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung im Detail.
- 1 zeigt eine erste Seite eines Formblechs mit bedruckter Isolierung und elektrisch leitender Vorrichtung.
- 2 zeigt ein Formblech mit der zweiten Seite (Kühlmittelseite) nach oben.
- 3a zeigt einen erfindungsgemäßen, aus zwei Formblechen zusammengesetzten kühlbaren Widerstand (Formblechpaar) in Draufsicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 3b zeigt drei detaillierte Querschnittsansichten des erfindungsgemäßen kühlbaren Widerstands.
- 4 zeigt einen erfindungsgemäßen kühlbaren Widerstand in isometrischer Ansicht als Teilschnittansicht.
- 5 zeigt einen kühlbaren Widerstand (System aus mehreren Formblechpaaren) in der Draufsicht.
- 6 zeigt das System in der Schnittansicht und im Detail des Strömungseintritts (links) und des elektrischen Anschlusses (rechts).
- 7 zeigt einen kühlbaren Widerstand (System aus mehreren Formblechpaaren) in isometrischer Ansicht.
- 8 zeigt die Anordnung einer elektrisch leitenden Vorrichtung auf der ersten Seite (8a) und des Strömungspfads auf der zweiten Seite (8b). In 1 ist eine erste Seite FE, die Widerstandseite, eines Formblechs F in isometrischer Darstellung dargestellt.
-
Das Formblech F ist an drei Seiten von einer ersten Sicke 1 umgeben, welche schräg nach oben vom Formblech F absteht. Sicken sind rinnenförmige Vertiefungen oder Erhöhungen eines Blechs. Im Formblech F sind zwei Öffnungen 12, 13 vorgesehen, hier eine Auslassöffnung 12 und eine Einlassöffnung 13. Diese sind jeweils von einer dritten Sicke 5 umgeben, welche jeweils ebenfalls nach oben vom Formblech F absteht. Die erste Sicke 1 sowie die dritten Sicken 5 sind so ausgeführt, dass diese eine Ebene bilden und im Verbund mit einem weiteren Formblech und dessen entsprechenden ersten und dritten Sicken (hier nicht dargestellt) eine Kavität erzeugen.
Im Innenbereich der ersten Seite FE des Formblechs F ist eine elektrisch isolierende Schicht 2 angeordnet. Hierauf ist die elektrisch leitende Vorrichtung 4 mäanderförmig angeordnet. Ferner sind zwei Kontaktierungsflächen 3a, 3b vorgesehen, welche jeweils mit einem Ende der elektrisch leitenden Vorrichtung 4 verbunden sind. Am der Auslassöffnung 12 und Einlassöffnung 13 abgewandten Ende des Formblechs F, an welchem keine erste Sicke 1 vorgesehen ist, ist eine Freimachung 8, in Form einer Vertiefung, vorgesehen. In dieser können Anschlusselemente (hier nicht dargestellt) angeordnet werden.
-
In 2 ist eine zweite Seite FZ des Formblechs, die Kühlmittelseite, in isometrischer Darstellung dargestellt.
Zweite Sicken 7 stehen an - vier Seiten des Formblechs F auf der zweiten Seite FZ nach oben ab und erstrecken sich daher in die entgegengesetzte Richtung wie die erste Sicke 1. Auf einer kurzen Seite des Formblechs F ist eine fünfte Sicke 9 vorgesehen, welche breiter ist als die zweiten Sicken 7 - diese ist die Rückseite der Freimachung 8 auf der ersten Seite FE. Ferner ist in der Mitte zwischen den beiden langen Seiten FZ des Formblechs F eine vierte Sicke 6 parallel zu der ersten Sicke angeordnet, welche sich allerdings nicht über die gesamte Länge des Formblechs F erstreckt. Die zweite Sicke 7, die vierte Sicke 6 sind gleich hoch ausgeführt, so dass diese eine Ebene bilden. Die fünfte Sicke 9 ist leicht abgesetzt, um eine Kavität zur Kühlung der Anschlussbereiches zu gewährleisten. Durch die zweiten Sicken 7 wird eine umlaufende Kontur gebildet, die eine Kavität bei Anordnung eines weiteren Formblechs (hier nicht gezeigt) abschließt und so den Kühlmittelbereich definiert. Die vierte Sicke 6 dient zur Strömungsführung zwischen dem Ein- und Auslass 13, 12.
-
In 3a ist ein erfindungsgemäßer kühlbarer Widerstand W, bestehend aus zwei Formblechen F, F' (nachfolgend auch als Formblechpaar bezeichnet), in Draufsicht dargestellt - man sieht hier auf die zweite Seite FZ des einen Formblechs F (das mit dem Formblech F verbundene weitere Formblech F' ist hier nicht sichtbar). Die ersten Sicken 1, 1' der Formbleche F, F' sind durch ein stoffschlüssiges Verfahren, beispielsweise Lasern, Kleben, Widerstandsschweißen oder Ähnlichem, so verbunden, dass eine Kavität entsteht (in dieser Abbildung nicht sichtbar). Auch die zweite Sicke 7 (zur Verbindung mit weiteren Formblechpaaren und zum Kühlmittelabschluss) ist wieder auf der Oberseite der zweiten Seite FZ des Formblechs F sichtbar. Die vierte Sicke 6 dient zur Strömungsführung zwischen Ein- und Auslass 13, 12. Am rechten Rand des Formblechs F ist die fünfte Sicke 9 zu sehen. Die zweite Sicke 7 dient der Verbindung mit einer zweiten Seite eines weiteren Formblechs (hier nicht dargestellt). Ferner ragen über den kühlbaren Widerstand W ein erstes und zweites Anschlusselement 10a, 10b hervor, welche vorzugsweise aus Kupfer oder einem anderen gut leitendem Material ausgebildet sind, hier auf der dem Einlass 13 und Auslass 12 abgewandten Seite des Formblechs F.
-
In 3b sind detaillierte Querschnittsansichten des erfindungsgemäßen kühlbaren Widerstands W aus 3a gezeigt.
Die unterste Ansicht stellt dabei einen Querschnitt A-A (Position in 3a gezeigt) dar. Hieraus geht hervor, dass zwei Formbleche F, F' an deren jeweiligen ersten Sicken 1, 1' miteinander verbunden sind. Am rechten Ende steht ein erstes Anschlusselement 10a über den kühlbaren Widerstand W hervor.
In der mittleren Ansicht, welche Details zum linken und rechten Ende des kühlbaren Widerstands W zeigt, wird verdeutlicht, dass die Randbereiche des kühlbaren Widerstands W durch einen Füllstoff 11, hier Silikon, ausgefüllt sind. Das Silikon dichtet den inneren Raum des kühlbaren Widerstands W zusätzlich ab.
Die oberste Ansicht zeigt mehr Details des rechten Randbereichs. Hier ist ersichtlich, dass zwei erste Kontaktierflächen 3a, 3a', welche jeweils an der innenliegenden Seite zweier Formbleche F, F' angeordnet sind, beide mit einem ersten Anschlusselement 10a elektrisch leitend verbunden sind - der entsprechende Hohlraum zwischen den beiden Formblechen F, F' ist wiederum mit einem Füllstoff 11 ausgefüllt.
-
In 4 ist der kühlbare Widerstand W in isometrischer Teilschnittansicht dargestellt. Es wird hier gezeigt, dass zwei Formbleche F, F' verbunden sind, unter anderem über die jeweiligen ersten Sicken 1, 1' sowie dritten Sicken 5 (hier nicht gezeigt) - durch die Verbindung von jeweils zwei dritten Sicken 5 der beiden Formbleche F, F' werden ein gemeinsamer Einlass 13 und Auslass 12 gebildet, ohne dass hier Flüssigkeit in den Innenraum des kühlbaren Widerstand W eindringen könnte. Die dritten Sicken 5 dienen also zum Verschluss des Formblechpaars im Bereich der Kühlmittelführung.
Dadurch ist eine Ausführung als Formblechpaar mit einem Formblech als Widerstandsträger und einm Formbleche zur Kühlmitteltrennung möglich. Die beiden Formbleche F, F' bilden hier einen kühlbaren elektrischen Widerstand W.
-
Von dem Formblech F' ist die zweite Seite von oben gezeigt, also die Seite, entlang welcher Kühlmittel fließen soll - dieses fließt vom Einlass 13 zum Auslass 12, es wird randseitig durch die zweite Sicke 7, sowie die vierte Sicke 6 gelenkt, welche zur Strömungsführung dient.
Ferner wird ersichtlich, dass die beiden Formbleche F, F' einen inneren Hohlraum einschließen - dieser ist am rechten Rand mit einem Füllstoff 11 ausgefüllt - in diesen Füllstoff ist das erste Anschlusselement 10a eingebettet und wird auch vom Füllstoff entsprechend gegenüber den beiden Formbleche F, F' isoliert.
-
In 5 sind mehreren Formblechpaare W (hier nur der oberste sichtbar) in der Draufsicht dargestellt. Es sind der Einlassstutzen 14 und der Auslassstutzen 15 dargestellt, welche auf dem Einlass 13 und Auslass 12 (hier nicht gezeigt) angebracht sind. Mit gestrichelten Linien ist die vierte Sicke 6, welche sich allerdings innerhalb des ersten Formblechpaars befindet, angedeutet. Pfeile skizzieren die Fließrichtung des Kühlmittels innerhalb des obersten kühlbaren Widerstands W. Das Kühlmittel fließt innerhalb aller übereinander angeordneten kühlbaren Widerstände vom Einlassstutzen 14 zum Auslassstutzen 15 und verteilt sich je nach Anzahl der übereinander angeordneten kühlbaren Widerstände in diesen. Am rechten Rand ist ein Stecker 20 angeordnet, welcher der elektrischen Verbindung dient.
-
In 6 ist die Schnittansicht eins beispielhaften Systems entlang der Linie B-B in 5 dargestellt, wobei hydraulisch parallel verschaltete kühlbare elektrische Widerstände (Formblechpaare) W, W',... und ein entsprechender elektrischer Anschluss dargestellt ist.
In der untersten Ansicht ist eine Gesamtschnittansicht dargestellt.
An einer oberen Abschlussplatte 17 ist der Einlassstutzen 14 angebracht.
Dabei gelangt das Kühlmittel über den Einlassstutzen 14 an die einzelnen kühlbaren elektrischen Widerstände W, W'... und verteilt sich parallel in die Zwischenräume, wo es nach der Umlenkung wieder am Auslassstutzen 15 (hier nicht gezeigt) austritt.
Die Einlassöffnung 13 und Auslassöffnung 12 (hier nicht dargestellt) der einzelnen kühlbaren Widerstände W, W', ..... bilden sozusagen interne Sammler, welche dann mit dem Einlassstutzen 14 und dem Auslassstutzen 15 in fluider Verbindung stehen. Dadurch wird die hydraulische Parallelschaltung der einzelnen kühlbaren Widerstände W, W', ..... möglich. Durch wenige Umlenkungen kann ein geringer interner Druckverlust realisiert werden.
Eine untere Abschlussplatte 16 sowie die obere Abschlussplatte 17 sind am jeweiligen Anfang und Ende der aufgereihten kühlbaren elektrischen Widerstände W, W', ..., d.h. Formblechpaars, angeordnet. Die untere Abschlussplatte 16 sowie die obere Abschlussplatte 17 sind ausreichend steif ausgeführt, um der systemischen Druckbeanspruchung standzuhalten. Die untere Abschlussplatte 16 kann zur Befestigung des Gesamtsystems dienen und bildet neben der oberen Abschlussplatte 17 die Befestigung der Frontplatte 18 am rechten Rand, an welcher eine Schutzkappe 19 befestigt ist. In der Schutzkappe 19 ist der Stecker 20 befestigt, der Kontaktelemente 21 umfasst.
In der oberen rechten Detailansicht ist dargestellt, dass ein Kontaktelement 21 so aufgebaut ist, dass dieses federnde Klammern 22 aus elektrisch gut leitfähigem Material aufnehmen kann. Ein Rundausschnitt und eine Querarretierung, beispielsweise durch eine Nut-Feder Kombination (hier nicht dargestellt), verhindert das Lösen der Klammern 22. Die Klammern 22 sind leicht untermaßig aufgebaut und dehnen sich leicht beim Einschieben der Kontaktelemente 10b. Die interne Belastung auf das Kontaktelement 21, im Bereich der Klammern 22 ist sehr gering und benötigt nur am Rand eine verstärkte Materialanordnung.
In der oberen linken Detailansicht ist angedeutet, wie Kühlmittel durch den Einlassstutzen 14 eintritt und jeweils zwischen oberstem kühlbarem Widerstand W und oberer Abschlussplatte 17 sowie zwischen dem obersten und zweitoberstem kühlbaren Widerstand W, W' strömt.
-
In 7 ist das Gesamtsystem in isometrischer Darstellung angeordnet und verdeutlicht die kompakte Ausführung eines Bremswiderstandes mit integriertem Anschlussstecker 20.
Unter der oberen Abschlussplatte 17 sind mehrere kühlbare Widerstände W, W', ... angeordnet. Auf der oberen Abschlussplatte 17 sind auch der Einlassstutzen 14 sowie der Auslassstutzen 15 für das Kühlmittel angeordnet. An den Anschlussstutzen können optional Sensoren für die Überwachung der Kühlmitteltemperatur angebracht werden (hier nicht gezeigt). Stirnseitig ist die Frontplatte 18 angebracht, diese ist von der Schutzkappe 19 abgedeckt. An der Schutzkappe 19 ist der Stecker 20 anbringbar.
-
8a zeigt die erste Seite FE einer Wärmetauschvorrichtung, hier als Formblech ausgebildet. Sämtliche Details, welche der Verbindung mit anderen Formblechen dienen, sind hier der Einfachheit halber weggelassen. Es sind zwei Kontaktierungsflächen 3a, 3b vorgesehen, welche jeweils mit einem Ende der elektrisch leitenden Vorrichtung 4 verbunden sind. Ferner sind die Einlassöffnung 13 und die Auslassöffnung 12 gezeigt, welche dann insbesondere dann von Bedeutung sind, wenn zwei Formbleche miteinander verbunden werden. Die Einlassöffnung zeigt an, an welcher Position auf der zweiten Seite (hier nicht gezeigt) der Strömungspfad P (hier ebenfalls nicht gezeigt) beginnt, wo also das Kühlmedium die niedrigste Temperatur aufweist. In diesem Bereich ist die elektrisch leitende Vorrichtung 4, welche hier mänderförmig ausgebildet ist, am schmälsten - hat also den geringsten Querschnitt. Im weiteren Verlauf der elektrisch leitenden Vorrichtung 4 (in 8a erst nach links, dann nach unten, dann wieder nach rechts - also einer U-Form folgend) nimmt deren Breite immer mehr zu - somit auch der Querschnitt. Im Bereich der Auslassöffnung, welche anzeigt an welcher Position auf der zweiten Seite (hier nicht gezeigt) der Strömungspfad P (hier ebenfalls nicht gezeigt) endet, wo also das Kühlmedium die höchste Temperatur aufweist, ist der Querschnitt der elektrisch leitenden Vorrichtung 4 am Höchsten; dort ist also der geringste ohmsche Widerstand vorhanden. Die elektrisch leitende Vorrichtung 4 ist so dimensioniert, dass es im Bereich von möglichen Strömungstotgebieten auf der zweiten Seite FZ zu einer Vergrößerung des Querschnittes kommt, so dass der eingeschränkte Wärmeabtransport auf der zweiten Seite FZ zu keiner Überlastung der elektrisch leitenden Vorrichtung 4 führt.
Die eingeschränkte Wärmeabgabe wird vornehmlich nach Umlenkungen eintreten, beispielsweise im Nachlaufgebiet an der Umlenkung der vierten Sicke 6 (hier nicht gezeigt).
-
8b zeigt die zweite Seite FZ einer Wärmetauschvorrichtung, hier als Formblech ausgebildet. Sämtliche Details, welche der Verbindung mit anderen Formblechen dienen, sind auch hier der Einfachheit halber weggelassen.
Hier ist der Strömungspfad P gezeigt, welcher sich U-förmig vom Einlass 13 zum Auslass 13 erstreckt. Die vierte Sicke 6 trägt dazu bei, diesen Strömungspfad zu realisieren.
-
Beispielsweise können die Ein- und Auslasstutzen 14 und 15 verschiedene geometrische Formen annehmen, ebenso wie Einlass 13 und Auslass 12.
Die kühlbaren Widerstände W bzw. Formbleche F sind vorzugsweise rechteckig, können aber auch andere geometrische Formen einnehmen, wie beispielsweise rund, oval, polygonal - je nach zur Verfügung stehendem Raum.
Die Erfindung ist nicht nur in plattenförmigen Widerständen anwendbar, sondern auch in Rohrwärmetauschern und sämtlichen anderen Systemen, in welchen elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt werden soll, beispielsweise in Heizvorrichtungen im Anlagenbau, Heizungen für Fahrzeuge etc. Auch hier kann das Prinzip des Kreuzstromwärmetauschers auch bei Vorhandensein von elektrischen Wärmeerzeugern angewandt werden.
-
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit einem Wärmetauschvorrichtung F, in der durch eine elektrisch leitende Vorrichtung 4 Wärme erzeugt wird, welche von einem Kühlmedium durch Konvektion wegtransportiert wird.
-
Hierbei wird durch Variation des ohmschen Widerstandes der elektrisch leitenden Vorrichtung 4 erzielt, dass an der Position, an welcher das Kühlmedium am Kältesten ist, mehr Wärme übertragen wird als an der Position, an welcher das Kühlmedium am Wärmsten ist. Dies sorgt für eine homogene Temperaturverteilung in der Wärmetauschvorrichtung und der Vermeidung von Temperaturspitzen.
-
Bezugszeichenliste
-
- F
- Formblech
- FE
- erste Seite
- FZ
- zweite Seite
- W
- kühlbarer Widerstand / Formblechpaar
- 1
- erste Sicke
- 2
- elektrisch isolierende Schicht
- 3a
- erste Kontaktierfläche
- 3b
- zweite Kontaktierfläche
- 4
- elektrisch leitende Vorrichtung
- 5
- dritte Sicke
- 6
- vierte Sicke
- 7
- zweite Sicke
- 8
- Freimachung
- 9
- fünfte Sicke
- 10a
- erstes Anschlusselement
- 10b
- zweites Anschlusselement
- 11
- Füllstoff
- 12
- Auslass
- 13
- Einlass
- 14
- Einlassstutzen
- 15
- Auslassstutzen
- 16
- untere Abschlussplatte
- 17
- obere Abschlussplatte
- 18
- Frontplatte
- 19
- Schutzkappe
- 20
- elektrische Schnittstelle / Stecker
- 21
- Kontaktelement / Kupfer
- 22
- federnde Klammer
- P
- Strömungspfad
