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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zur Übertragung von Wärmeenergie an ein flüssiges Medium. Anwendung findet dieses beispielsweise als flüssigkeitsgekühlter Bremswiderstand.
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In Wärmetauschern wird ein Kühlmittelstrom zugeleitet, strömt dann aber in viele kleinere Kanäle - beispielsweise Rohre in einem Rohrbündelwärmetauscher oder zwischen Platten eines Plattenwärmetauschers. Für eine hohe Effizienz ist eine homogene Verteilung des Kühlmittels von grundlegender Bedeutung.
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Anwendung finden Wärmetauscher häufig im Anlagenbau und in der chemischen Industrie - aber auch im Bereich der Antriebstechnik, wo häufig die überschüssige Bremsenergie in Bremswiderständen umgesetzt werden muss- 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 Wärmenergie um, welche dann entsprechend abgeführt werden muss, um eine lokale Überhitzung des Bremswiderstands zu vermeiden.
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Ein solcher Bremswiderstand muss eine entsprechende Spannungsfestigkeit, eine hinreichend große Druckstabilität (falls das durchströmende Medium einen höheren Druck aufweist) und eine Leistungsbeanspruchung aufweisen können, um für den Einsatz tauglich zu sein.
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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.
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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.
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Aus dem Stand der Technik sind viele luftgekühlte Bremswiderstände bekannt. Diese erfordern allerdings ein entsprechendes Belüftungssystem zur Abkühlung und daher einen entsprechend großen Bauraum.
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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.
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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.
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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.
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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. Die Skalierbarkeit ist allerdings bei einem solchen System kaum gegeben - hier müsste Kühlmedium an kleinere Einheiten verteilt werden.
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Dies würde aber eine homogene Kühlmittelverteilung erfordern.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein flüssigkeitsgekühltes System zur Übertragung von Wärmenergie bereitzustellen, in welchem Wärmeübertragungselemente gleichmäßig angeströmt werden und somit eine möglichst hohe Wärmeübertragungseffizienz erzielt werden kann kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst von einem Wärmetauscher gemäß Anspruch 1. Weitere bevorzugte Ausgestaltungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher umfasst mindestens zwei übereinander angeordnete Wärmetauschvorrichtungen, welche dazu angepasst sind, von einem Kühlmedium angeströmt oder durchströmt zu werden,
einen Kühlmittelzufluss, welcher dazu eingerichtet ist, die mindestens zwei übereinander angeordneten Wärmetauschvorrichtungen mit Kühlmittel zu versorgen, sowie einen Kühlmittelabfluss, welcher dazu eingerichtet ist, Kühlmittel, welches aus den mindestens zwei übereinander angeordneten Wärmetauschvorrichtungen ausströmt oder diese überströmt hat, abzuleiten.
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Der Querschnitt des Kühlmittelzuflusses verringert sich in Strömungsrichtung, und/oder der Querschnitt des Kühlmittelabflusses erhöht sich in Strömungsrichtung.
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Mit dem Querschnitt ist hier der Querschnitt gemeint, welcher für die Strömung bzw. Durchströmung von Kühlmittel zur Verfügung steht.
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Dies führt dazu, dass im Endbereich des Kühlmittelzuflusses bzw. im Anfangsbereich des Kühlmittelabflusses ein höherer Druckverlust vorherrscht als den jeweils entgegengesetzten Bereichen, was zu einer Vergleichmäßigung der Strömung führt und zur Folge hat, dass alle Wärmetauschvorrichtungen gleichmäßig um- bzw. überströmt werden und überall ein möglichst gleicher Kühlmittelstrom und somit eine überall gleiche Kühlleistung zur Verfügung steht.
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Zur Umlenkung der Strömung vom Kühlmittelzufluss zwischen die einzelnen Wärmetauschvorrichtungen speziell im unteren Bereich des Kühlmittelzuflusses und/oder des Kühlmittelabflusses ist ein Impuls notwendig, welcher eine Umlenkung der Strömung bewirkt. Durch die Querschnittsänderung kann eine solche Strömungsumlenkung erreicht werden.
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Unter Annahme, dass die Wärmetauschvorrichtungen, egal in welcher Etage, immer den gleichen spezifischen Druckverlust haben, kann die Strömungsbeeinflussung nur im Kühlmittelzufluss und/oder Kühlmittelabfluss erfolgen. Dies geschieht zum einen durch einen möglichst hohen Gradienten zwischen der Geschwindigkeit im Kühlmittelzufluss und/oder des Kühlmittelabfluss (niedrige Strömungsgeschwindigkeit) und zwischen den Wärmetauschvorrichtungen (hohe Strömungsgeschwindigkeit), aber zu einem großen Teil durch einen angepassten Querschnitts im Bereich des Kühlmittelzuflusses und/oder des Kühlmittelabflusses.
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Vorzugsweise ist gemäß einer ersten Ausführungsform im Kühlmittelzufluss und/oder Kühlmittelabfluss ein Verdrängerelement vorgesehen. Dies ermöglicht eine Verwendung von gleichen Wärmetauschvorrichtungen, ohne dass hier der Querschnitt des Einlasses angepasst werden müsste, und ist somit konstruktiv und fertigungstechnisch sehr einfach und kostengünstig.
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Vorzugsweise ist das Verdrängerelement ein Körper, dessen Querschnitt im Kühlmittelzufluss in Strömungsrichtung zunimmt und somit den Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung verringert und/oder Kühlmittelabfluss in Strömungsrichtung abnimmt und somit den Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung erhöht.
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Auch dies ist konstruktiv sehr einfach und kostengünstig realisierbar.
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Weiter vorzugsweise ist das Verdrängerelement ein Kegel, ein Kegelstumpf, eine Pyramide oder ein Pyramidenstumpf.
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In einer zweiten Ausführungsform verringert sich der Querschnitt des jeweiligen Kühlmitteleinlasses der jeweiligen einzelnen Wärmetauschvorrichtungen in Strömungsrichtung, und/oder der Querschnitt des jeweiligen Kühlmittelauslasses der jeweiligen einzelnen Wärmetauschvorrichtungen erhöht sich in Strömungsrichtung. Hier können die Kanten des jeweiligen Kühlmittelzuflusses und/oder Kühlmittelabflusses die Strömung aktiv zwischen die einzelnen Wärmetauschvorrichtungen lenken - und dies kann beispielsweise durch spezielles Biegen der Kanten auch anwendungsabhängig angepasst werden.
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Vorzugsweise weisen die Kanten der jeweiligen der Kühlmitteleinlässe und/oder Kühlmittelauslässe der jeweiligen einzelnen Wärmetauschvorrichtungen nach oben gerichtete Umbördelungen auf.
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Diese bewirken eine aktiver Umlenkung der Strömung zur Verbesserung des Strömungseintritts zwischen die einzelnen Wärmetauschvorrichtungen, indem die Strömung mit einem Impuls in Richtung der einzelnen Wärmetauschvorrichtungen versehen wird.
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Vorzugsweise sind die mindestens zwei einzelnen Wärmetauschvorrichtungen plattenförmig ausgebildet und weisen im Inneren jeweils eine Wärmequelle auf.
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Jede Wärmetauschvorrichtung weist jeweils einen Einlass sowie einen Auslass auf, welcher weiter vorzugsweise als Öffnungen, noch weiter vorzugsweise kreisförmige Öffnungen, in der jeweiligen Wärmetauschvorrichtungen vorgesehen sind.
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Diese sind dazu angepasst, dass Kühlmittel zwischen zwei einzelnen Wärmetauschvorrichtungen von Einlass zu Auslass strömt.
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Zwischen zwei Wärmetauschvorrichtungen ist dabei eine Kavität vorhanden.
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Gerade bei engen Abständen zwischen zwei Wärmetauschvorrichtungen ist eine genaue Einstellung der Druckverluste wichtig, um eine gleichmäßige Durchströmung und somit homogene Strömungsgeschwindigkeiten zu erzielen.
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Zwei Wärmetauschvorrichtungen sind vorzugsweise an deren Rändern fest miteinander verbunden, wobei die dadurch gebildete Kavität dazu konfiguriert ist, von Kühlmittel angeströmt oder durchströmt zu werden.
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Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige Konstruktion.
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Zwischen den Wärmetauschvorrichtungen ist vorzugsweise ein U-förmiger Strömungspfad vorgesehen. Dies ermöglicht es, dass ein möglichst langer Strömungsweg zwischen den einzelnen Wärmetauschvorrichtungen vorhanden ist, dabei aber trotzdem eine platzsparende Konstruktion möglich ist.
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Vorzugsweise sind die Wärmequellen der Wärmetauschvorrichtungen elektrisch leitende Vorrichtungen, welche durch jeweilige elektrisch isolierenden Schichten von den Wärmetauschvorrichtungen getrennt sind. Dies erlaubt den Einsatz eines solchen platzsparenden Systems beispielsweise als elektrischer Bremswiderstand.
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Vorzugsweise sind oberhalb der mindestens zwei übereinander angeordneten Wärmetauschvorrichtungen eine obere Abschlussplatte und unterhalb der mindestens zwei übereinander angeordnete Wärmetauschvorrichtungen eine untere Abschlussplatte vorgesehen.
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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 druckstabil ausgeführt sind.
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Die Kraftvektoren des Kühlmitteldrucks heben sich also auf, es entstehen dadurch keine weiteren Spannungen nach außen.
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An der oberen Abschlussplatte sind vorzugsweise ein Einlassstutzen sowie ein Auslassstutzen für Kühlmittel vorgesehen, welche jeweils mit dem Kühlmittelzufluss und dem Kühlmittelabfluss in Fluidverbindung stehen.
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Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher beschrieben.
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1 bis 7 beschreiben dabei grundlegend den Aufbau eines Wärmetauschers in Plattenbauweise, hier als flüssigkeitsgekühlter Bremswiderstand verwendet. 8 und 9 beschreiben die erfindungsgemäße Strömungsführung am Beispiel des Wärmetauschers in Plattenbauweise.
- 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 eine Detailansicht der Strömungsverhältnisse eines Wärmetauschers gemäß einer ersten Ausführungsform in Schnittansicht.
- 9 zeigt eine Detailansicht der Strömungsverhältnisse eines Wärmetauschers gemäß einer zweiten Ausführungsform in Schnittansicht.
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In 1 ist eine erste Seite FE, die Widerstandseite, eines Formblechs F in isometrischer Darstellung dargestellt.
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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.
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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.
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In 2 ist eine zweite Seite FZ des Formblechs, die Kühlmittelseite, in isometrischer Darstellung dargestellt.
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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.
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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 F" (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.
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In 3b sind detaillierte Querschnittsansichten des erfindungsgemäßen kühlbaren Widerstands W aus 3a gezeigt.
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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.
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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.
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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.
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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, 5' (hier nicht gezeigt) - durch die Verbindung von jeweils zwei dritten Sicken 5, 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, 5' dienen also zum Verschluss des Formblechpaars im Bereich der Kühlm ittelführung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In der untersten Ansicht ist eine Gesamtschnittansicht dargestellt.
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An einer oberen Abschlussplatte 17 ist der Einlassstutzen 14 angebracht.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In 7 ist das Gesamtsystem in isometrischer Darstellung angeordnet und verdeutlicht die kompakte Ausführung eines Bremswiderstandes mit integriertem Anschlussstecker 20.
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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.
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In 8 ist eine Detailansicht der Stömungsführung gemäß einer ersten Ausführungsform in einem System aus kühlbaren elektrischen Widerständen, welche hier als Wärmetauscher fungieren, dargestellt.
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Mehrere kühlbare elektrische Widerstände W, W', W'', ... (Formblechpaare) sind hier übereinander gestapelt und sind von unten durch eine untere Abschlussplatte 16 sowie von oben durch eine obere Abschlussplatte 17 begrenzt. In der oberen Abschlussplatte 17 sind der Einlassstutzen 14 und Auslassstutzen 15 für Kühlmittel angeschlossen. Beispielhaft ist hier der Kühlmittelzufluss 44 dargestellt, welcher den Einlassstutzen 14 sowie den darunter liegenden Raum zwischen den Einlässen 13, 13', 13", ... der jeweiligen kühlbaren elektrischen Widerstände (Formblechpaare) W, W', W', ... sowie ein Verdrängerelement 40 umfasst. Das Verdrängerelement 40 ist hier als Kegel ausgestaltet, dessen Grundfläche auf der untere Abschlussplatte 16 angeordnet ist. Dadurch nimmt der für Kühlmittel verfügbare Querschnitt im Kühlmittelzufluss 44 von oben nach unten ab, im Bereich der oberen Abschlussplatte 17 ist er maximal, im Bereich der unteren Abschlussplatte 16 minimal.
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Der Kühlmittelabfluss 45 ist nach demselben Prinzip aufgebaut.
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In 9 ist eine Detailansicht der Strömungsführung gemäß einer ersten Ausführungsform in einem System aus kühlbaren elektrischen Widerständen, welche hier als Wärmetauscher fungieren, dargestellt.
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Auch hier sind mehrere kühlbare elektrische Widerstände W, W', W'', ... (Formblechpaare) übereinander gestapelt und werden von unten durch eine untere Abschlussplatte 16 sowie von oben durch eine obere Abschlussplatte 17 begrenzt. In der oberen Abschlussplatte 17 sind der Einlassstutzen 14 und der Auslassstutzen 15 für Kühlmittel angeschlossen. Beispielhaft ist hier der Kühlmittelzufluss 44 dargestellt, welcher den Einlassstutzen 14 sowie den darunter liegenden Raum zwischen den Einlässen 13, 13', 13", ... der jeweiligen kühlbaren elektrischen Widerstände (Formblechpaare) W, W, W', ... umfasst.
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Hierbei variiert der Durchmesser und somit der Querschnitt der Einlässe 13, 13', 13", ... der jeweiligen kühlbaren elektrischen Widerstände (Formblechpaare) W, W', W', .... Der Querschnitt des Einlasses 13 des kühlbaren elektrischen Widerstands W ist größer als der Querschnitt des Einlasses 13' des darunterliegenden kühlbaren elektrischen Widerstands W' - der Querschnitt nimmt also nach unten hin immer weiter ab. Zudem kann durch eine Kante (hier nicht gezeigt) an den Einlässen 13, 13', 13" die Strömung gezielt eingefangen und in Richtung der Zwischenräume der jeweiligen kühlbaren elektrischen Widerstände W, W', W', umgelenkt werden.
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Der Kühlmittelabfluss 45 ist nach demselben Prinzip aufgebaut.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben genannten Ausführungsformen beschränkt - sie findet nicht nur in Plattenwärmetauschern Anwendung, sondern beispielsweise auch in Rohrbündelwärmetauschern, wo einzelne Rohrbündel an einen Kühlmittelzufluss 44 bzw. Kühlmittelabfluss 45 angeschlossen sind.
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Bei Verdrängerleementen 40 sind auch andere Bauformen möglich, beispielsweise zusammengesetzte Körper.
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher W, insbesondere die Verteilung von Kühlmedium in einem solchen. Ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher W, umfasst mindestens zwei übereinander angeordnete Wärmetauschvorrichtungen W, W', welche dazu angepasst sind, von einem Kühlmedium angeströmt oder durchströmt zu werden, einen Kühlmittelzufluss 44, welcher dazu eingerichtet ist, die mindestens zwei übereinander angeordneten Wärmetauschvorrichtungen W, W' mit Kühlmittel zu versorgen, sowie einen Kühlmittelabfluss 45, welcher dazu eingerichtet ist, Kühlmittel, welches aus den mindestens zwei übereinander angeordnete Wärmetauschvorrichtungen W, W' ausströmt oder diese überströmt hat, abzuleiten.
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Der Durchflussquerschnitt des Kühlmittelzuflusses 44 verringert sich in Strömungsrichtung, und der Durchflussquerschnitt des Kühlmittelabflusses 44 erhöht sich in Strömungsrichtung, um im Bereich des Kühlmittelzuflusses 44, der in Strömungsrichtung am Weitesten entfernt ist, einen höheren Druckverlust zu erzielen, was zu einer gleichmäßigen Durchströmung des Wärmetauschers W führt.
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Bezugszeichenliste
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- 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
- 40
- Verdrängerelement
- 44
- Kühlmittelzufluss
- 45
- Kühlmittelabfluss
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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