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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Kühlvorrichtung,
z.B. für
einen Elektromotor mit integrierten Stromrichtern, mit einem drucklos
geschlossenen Kühlkreislauf,
in dem zumindest ein Wärmetauscher und/oder
zumindest eine Kühlmittelpumpe
und/oder Meßgeräte und/oder
Ventile und/oder Filter und/oder Rückschlagklappen etc. angeordnet
sind und der einen Vorratsbehälter
mit Entlüftungsfunktion
aufweist.
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Bei bestimmten Anforderungsprofilen
kann beispielsweise auch ein Ionenaustauscher innerhalb des drucklos
geschlossenen Kühlkreislaufs
vorgesehen sein.
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Die Kühlvorrichtung, aus der mittels
ihres Wärmetauschers
Wärmeenergie
entfernt werden soll, enthält üblicherweise
Rohre, Schläuche,
Meßvorrichtungen
und Kühlelemente
in unterschiedlichsten Ausführungen
und Bauarten. Der funktionsbedingte konstruktiv-technische Aufbau
derartiger Kühlvorrichtungen
bringt es mit sich, dass insbesondere bei der Erstbefüllung mit
Kühlmedium,
aber auch bei wartungsbedingtem Nachfüllen mit Kühlmedium, letzteres unter unerwünschter
Beimischung bzw. Hinzufügung
von Gas- und Luftanteilen in den drucklos geschlossenen Kühlkreislauf
gelangt.
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Die Funktionssicherheit einer derartigen Kühlvorrichtung
kann nur dann gewährleistet
werden, wenn der gesamte Kühlkreislauf
frei von Gas- bzw. Luftblasen oder frei von größeren Mengen von Gas- bzw.
Lufteinschlüssen
ist; deshalb werden an derartige Kühlvorrichtungen hinsichtlich
der Entlüftung
bzw. Entgasung besondere Anforderungen gestellt, denn ansonsten
kann nicht ausgeschlossen werden, dass Luft- oder Gaseinschlüsse innerhalb der
Kühlvorrichtung
dazu führen,
dass ein oder mehrere von parallel geschalteten Zweigen des Kühlkreislaufs
nicht vom Kühlmedium
durchströmt
werden. Dies wiederum führt
zur sofortigen Überhitzung und
folgenden Zerstörung
des jeweils zu kühlenden Betriebsmittels.
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Bekannte derartige Kühlvorrichtungen
haben daher ein Vorratsgefäß mit Entlüftungsfunktion,
welches in einem Nebenstrom des Kühlkreislaufs betrieben wird.
Der Betrieb im Nebenstrom hat zur Folge, dass nur ein vergleichsweise
geringer Anteil des im Kühlkreislauf
umgewälzten
Kühlmittelstroms
aufgrund einer kleinen Druckdifferenz zwischen Zu- und Ablauf der
Anschlüsse
dieses Vorratsgefäßes durch dieses
hindurch geleitet wird. Die Anordnung dieses Vorratsgefäßes bzw.
Vorratsbehälters
im Nebenstrom verhindert eine zu starke Verwirbelung des Kühlmediums
innerhalb des Vorratsbehälters.
Aufgrund des geringen Anteils des Kühlmittels, das je Umwälzung im
Kühlkreislauf
das Vorratsgefäß bzw. den
Vorratsbehälter
durchströmt,
und das entsprechend entgast bzw. entlüftet wird, dauert die Entgasung
bzw. Entlüftung
des gesamten im Kühlkreislauf umlaufenden
Kühlmediums
vergleichsweise lange. So kann eine vollständige Entlüftung eines Kühlkreislaufs
beispielsweise mehrere Stunden oder sogar Tage dauern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, denjenigen
Zeitraum, der bei Erstinbetriebnahmen oder Wartungen von Kühlvorrichtungen
zur Entgasung bzw. Entlüftung
derselben aufgewendet werden muß,
erheblich zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass der Vorratsbehälter
mit Entlüftungsfunktion
im Hauptstrom des Kühlkreislaufs
angeordnet ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass das gesamte
innerhalb des drucklos geschlossenen Kühlkreislaufs vorhandene Kühlmedium
bei jedem Umlauf durch den Vorratsbehälter geführt und dort entlüftet bzw.
entgast wird. Der Zeitraum, der für eine Entgasung bzw. Entlüftung der
Kühlvorrichtung
benötigt
wird, ist daher erheblich reduziert.
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Wenn der Vorratsbehälter einen
im Vergleich zum Strömungsquerschnitt
des Kühlkreislaufs
erheblich größeren Querschnitt
aufweist, verringert sich der Druck innerhalb der durch das Kühlmedium
gebildeten Flüssigkeitssäule schlagartig,
was zu einer ausfällungsähnlichen
Ausscheidung von im Kühlmedium
enthaltener Luft bzw. dort enthaltenem Gas führt.
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Hierbei sollte der Zulauf des Vorratsbehälters zweckmäßigerweise
so angeordnet sein, dass der Kühlmittelstrom
waagerecht in den Vorratsbehälter
eintritt.
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Zur Unterstützung der Abscheidung von Gas und
Luft aus dem Kühlmedium
ist es vorteilhaft, wenn die Querschnittsveränderung zwischen Zulauf und Vorratsbehälter in
einer einzigen Stufe schlagartig erfolgt.
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Sofern aus übergeordneten Gründen der
Anschluß des
Zulaufs des Vorratsbehälters
beispielsweise durch dessen Bodenwand erfolgen muß, kann ein
waagerechter Eintritt des Kühlmittelstroms
in den Vorratsbehälter
vorteilhaft dadurch erzielt werden, dass der Zulauf des Vorratsbehälters ausgangsseitig einen
im Vorratsbehälter
angeordneten waagerechten Rohrabschnitt aufweist, durch den hindurch
der Kühlmittelstrom
in den Vorratsbehälter
eintritt.
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Um zu verhindern, dass in dem aus
dem Vorratsbehälter
ausströmenden
Kühlmittelstrom
Turbulenzen od.dgl. auftreten, ist es vorteilhaft, wenn die Austrittfläche aus
dem waagerechten Rohrabschnitt des Zulaufs am ablauffernen Ende
des waagerechten Rohrabschnitts des Zulaufs angeordnet ist.
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Zum Einfangen bzw. zur Fixierung
von im Vorratsbehälter
entstehenden Luft- bzw. Gasblasen ist es zweckmäßig, wenn im Vorratsbehälter oberhalb
des Strömungsquerschnitts
des durch den Zulauf in den Vorratsbehälter eintretenden Kühlmittelstroms
ein Fangnetz angeordnet ist, mittels dem im Kühlmittelstrom entstandene Luft-
bzw. Gasblasen festgehalten werden können.
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Ein solches Fangnetz sollte vorteilhaft
waagerecht im Vorratsbehälter
angeordnet sein.
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Eine zu intensive Oberflächenbewegung
des Kühlmediums
läßt sich
verhindern, wenn im Vorratsbehälter
oberhalb des Strömungsquerschnitts
des durch den Zulauf in den Vorratsbehälter eintretenden Kühlmittelstroms
und ggf. des Fangnetzes eine Lochplatte angeordnet ist, mittels
der eine Vergleichmäßigung des
Austritts von Luft- und Gasblasen aus dem Kühlmedium erreichbar ist.
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Auch die Lochplatte sollte vorteilhaft
waagerecht im Vorratsbehälter
angeordnet sein.
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Darüber hinaus kann die Lochplatte
an ihrem den Ablauf des Vorratsbehälters überlagernden Abschnitt abgedeckt
sein, um insbesondere in diesem kritischen Bereich Turbulenzen etc.
zu vermeiden.
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Der Vorratsbehälter der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung
ist hinsichtlich seiner Abmessungen gemäß einer Weiterbildung der Erfindung
so gewählt, dass
im oberen Abschnitt des Vorratsbehälters ein Luftraum ausgebildet
ist, dessen Vertikalerstreckung durch das höchste Kühlmediumniveau im Kühlkreislauf
bestimmt ist. Durch diesen Luftraum können die aus dem Kühlmedium
ausgeschiedenen Luft- und Gasblasen dann aus dem Vorratsbehälter und
damit aus dem Kühlkreislauf
ausgeschieden werden.
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Hierzu ist es zweckmäßig, wenn
der Vorratsbehälter
in seinem oberen Abschnitt, vorzugsweise in seiner Oberwand, ein
Entlüftungsventil
aufweist, über
das Luft bzw. Gas aus dem Kühlkreislauf
ausscheidbar ist.
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Eine kompakte Montage der Kühlvorrichtung am
zu kühlenden
Betriebsmittel, insbesondere an einem Elektromotor, ist erreichbar,
wenn der Vorratsbehälter
der Kühlvorrichtung
unmittelbar auf das Betriebsmittel bzw. den Elektromotor montiert
ist.
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Um irgendwelche Störungen ud.dgl.
zu verhindern, ist es besondere zweckmäßig, wenn der Vorratsbehälter aus
amagneti schem Stahl, vorzugsweise aus dem Werkstoff 1.4571, ausgebildet
ist.
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Als für übliche Anforderungsprofile
besonders vorteilhafte Abmessungen des Vorratsbehälters hat
sich eine Länge
von ca. 750 mm, eine Höhe
von ca. 250 mm und eine Breite von ca. 200 mm ergeben, wobei entsprechend
bemessene Vorratsbehälter auch
bei begrenztem Montageraum ohne Schwierigkeiten eingesetzt werden
können.
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Der Zulauf und/oder der Ablauf des
Vorratsbehälters
können
vorteilhaft in DN50 ausgebildet sein.
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Der Vorratsbehälter kann einen rechteckigen oder
einen runden Querschnitt aufweisen, wobei ein rechteckiger Querschnitt,
beispielsweise im Falle von U-Boot-Anwendungen der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung,
und ein runder Querschnitt, beispielsweise im Falle von Umrichter-Anwendungen,
besondere Vorteile bietet.
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Insbesondere hat es sich bewährt, die
erfindungsgemäße Kühlvorrichtung
zusammen mit einem Permasyn-Motor eines Brennstoffzellen-U-Bootes einzusetzen.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand
von Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 wesentliche
Bestandteile eines drucklos geschlossenen Kühlkreislaufs einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung;
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2 eine
Ausführungsform
eines Vorratsbehälters
mit Ent lüftungsfunktion
der in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung;
und
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3 eine
weitere Ausführungsform
eines Vorratsbehälters
mit Entlüftungsfunktion
der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung.
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Eine im folgenden anhand der 1 bis 3 näher
beschriebene Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung
kann beispielsweise dazu dienen, einen z.B. in einem U-Boot zum
Einsatz kommenden Elektromotor 1 mit integrierten Stromrichtern 2 zu
entwärmen.
Ein derartiger Elektromotor 1 kann beispielsweise als Permasyn-Motor
ausgebildet sein.
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Des weiteren kann eine derartige
Kühlvorrichtung
auch zum Einsatz kommen, um z.B. Umrichter zu entwärmen.
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In einem in 1 gezeigten drucklos geschlossenen Kühlkreislauf 3 wird
das Kühlmedium unter
anderem dazu eingesetzt, den Elektromotor 1, der hierzu
mit einer Ringkühlung 4 versehen
ist, zu entwärmen,
wobei darüber
hinaus die Strom- bzw. Wechselrichter 2,
die in den Elektromotor 1 integriert sind, mittels eines
anderen Zweiges des Kühlkreislaufs 3 entwärmt werden.
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Zur Entwärmung des im Kühlkreislauf 3 umlaufenden
Kühlmediums
dient ein Wärmetauscher 5, in
dem das im Kühlkreislauf 3 umlaufende
Kühlmedium
z.B. mittels Seewasser entwärmt
wird.
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Der Umlauf des Kühlmediums in den Zweigen des
drucklos geschlossenen Kühlkreislaufs 3 wird
bei der in 1 gezeigten
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung
mittels zweier Kühlmittelpumpen 6, 7 bewerkstelligt,
wobei die eine Kühlmittelpumpe 6 eine
vergleichsweise große
und die andere Kühlmittelpumpe 7 eine
vergleichsweise kleine Kapazität
aufweisen kann, so dass je nach an die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung
gestellten aktuellen Anforderungsprofilen die eine oder die andere Kühlmittelpumpe 6 bzw. 7 oder
beide in Betrieb sein können.
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Neben den vorstehend im einzelnen
erwähnten
Elementen können
im drucklos geschlossenen Kühlkreislauf 3 noch
geeignete Meßgeräte, Ventile, Filter,
Rückschlagklappen
ud.dgl., angeordnet sein.
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Wesentlich für die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung
ist, dass im Hauptstrom des drucklos geschlossenen Kühlkreislaufs 3 ein
Vorratsbehälter 8 mit
Entlüftungsfunktion
vorgesehen ist. Alle Zweige des drucklos geschlossenen Kühlkreislaufs 3 münden in
diesen Vorratsbehälter 8,
nachdem das Kühlmedium
an der jeweiligen Kühlstation
vorbei geströmt
ist. Aus diesem Vorratsbhehälter 8 saugen
die beiden Kühlmittelpumpen 6, 7 Kühlmedium
an.
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Eine in 2 gezeigte Ausführungsform des Vorratsbehälters 8 mit
Entlüftungsfunktion
hat einen Zulauf 9, zu dem, sofern der drucklos geschlossene Kühlkreislauf 3 mehrere
Zweige aufweist, alle Zweige zusammengefaßt werden können. Grundsätzlich ist es
jedoch auch möglich,
den Vorratsbehälter 8 mit mehreren
Zuläufen 9 zu
versehen.
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Durch den Zulauf 9 wird
der Kühlmittelstrom, wie
durch den Pfeil 10 angezeigt, in das Innere des Vorratsbehälters 8 eingeführt. Durch
den Ablauf 11 verläßt der Kühlmittelstrom,
wie durch den Pfeil 12 gezeigt, den Vorratsbehälter 8.
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Wie aus 2 unmittelbar hervorgeht, ist der Querschnitt
des Vorratsbehälters 8 erheblich
größer als
der Strömungsquerschnitt
des Zulaufs 9. Der Strömungsquerschnitt
für das
Kühlmedium
vergrößert sich
somit schlagartig in dem Augenblick, wenn das Kühlmedium aus dem Zulauf 9 in
den Vorratsbehälter 8 eintritt.
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Wie durch den Pfeil 10 in 2 angezeigt, strömt der gesamte
Kühlmittelstrom
in waagerechter Richtung in den Vorratsbehälter 8 ein. Durch
die vorstehend erwähnte
schlagartige und beträchtliche
Erweiterung des für
den Kühlmittelstrom 10 zur
Verfügung
stehenden Strömungsquerschnitt
beim Übergang
aus dem Zulauf 9 in den Vorratsbehälter 8 verringert
sich der Druck in der Flüssigkeitssäule schlagartig,
was zu einer ausfällungsartigen
Abscheidung von im flüssigen
Kühlmedium
enthaltener Luft bzw. dort enthaltenen Gasen führt. Aufgrund des am Übergang
zwischen Zulauf 9 und Vorratsbehälter 8 schlagartig
vergrößerten Strömungsquerschnitts
reduziert sich die Strömungsgeschwindigkeit
des Kühlmittelstroms 10 beträchtlich.
Die entstandenen Luft- bzw. Gasblasen, die in 2 durch gekrümmte Pfeile 13 dargestellt
werden, steigen aus dem flüssigen Kühlmedium
auf.
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Der Vorratsbehälter 8 ist in einem
oberhalb des Zulaufs 9 und des Ablaufs 11 angeordneten
Abschnitt mit einem waagerecht angeordneten Fangnetz 14 versehen,
an dem im Kühlmedium
aufsteigende Luftblasen gefangen werden. Das Entweichen der Luftblasen 13 erfolgt
kontinuierlich und in vergleichmäßigter Form
durch eine oberhalb des Fangnetzes 14 ebenfalls waagerecht
angeordnete Lochplatte 15. Die Luft- bzw. Gasblasen 13 entweichen durch
die Durchbrechungen der Lochplatte 15, so dass eine zu
starke Oberflächenbewegung
des Kühlmediums
gedämpft
und die Oberflächenbewegung beruhigt
wird.
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In dem oberhalb der Lochplatte 15 angeordneten
Abschnitt des Vorratsbehälters 8 befindet
sich ein Luftraum 16, dessen Vertikalabmessung durch den
Kühlmediumstand
bzw. das Kühlmediumniveau an
der höchsten
Stelle des gesamten drucklos geschlossenen Kühlkreislaufs 3 bestimmt
ist. In diesen Luftraum 16 geraten die Luft- bzw. Gasblasen 13, wenn
sie aus dem Kühlmedium
austreten, und durch diesen Luftraum 16 wird die Luft bzw.
das Gas aus dem drucklos geschlossenen Kühlkreislauf 3 ausgeschieden.
Hierzu ist in der Oberwand 17 des Vorratsbehälters 8 ein
Entlüftungsventil 18 angeordnet, durch
das hindurch Luft bzw. Gas aus dem Luftraum 16 austreten
kann.
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Eine in 3 gezeigte Ausführungsform des Vorratsbehälters 8 mit
Entlüftungsfunktion
unterscheidet sich von der vorstehend geschilderten im wesentlichen
dadurch, dass der Zulauf 9 in der Bodenwand 19 des
Vorratsbehälters 8 angeordnet
ist. Ein waagerechter Eintritt des Kühlmittelstroms 10 in den
Vorratsbehälter 8 wird
bei der in 3 gezeigten Ausführungsform
mittels eines waagerechten Rohrabschnitts 20 erreicht,
in den der Zulauf 9 mittels eines gekrümmten Rohrabschnitts 21 übergeht.
Der gekrümmte
Rohrabschnitt 21 sowie der waagerechte Rohrabschnitt 20 sind
bereits innerhalb des Vorratsbehälters 8 angeordnet.
Eine Austrittfläche 22 des waagerechten
Rohrabschnitts 20, durch die hindurch der Kühlmittelstrom 10 in
den Vorratsbehälter 8 eintritt,
ist an dem dem Ablauf 11 abgewandten Ende des waagerechten
Rohrabschnitts 20 vorgesehen. Wie im Falle der in 2 gezeigten Ausführungsform vergrößert sich
der für
den Kühlmittelstrom 10 zur Verfügung stehende
Strömungsquerschnitt
schlagartig beim Eintritt des Kühlmittelstroms 10 in
den Vorratsbehälter 8.
Durch die Anordnung der Austrittsfläche 22 des waagerechten
Rohrabschnitts 20 am ablauffernen Ende des waagerechten
Rohrabschnitts 20 werden Störungen der Strömungsverhältnisse
im Bereich des Ablaufs 11 zuverlässig vermieden.
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Zu ähnlichen Zwecken ist im Falle
der in 3 gezeigten Ausführungsform
des Vorratsbehälters 8 derjenige
Bereich der Lochplatte 15, der den Ablauf 11 überlagert,
mittels einer Abdeckung 23 abgedeckt.
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Der anhand unterschiedlicher, in
den 2 und 3 gezeigte und erläuterte Vorratsbehälter 8 mit Entlüftungsfunktion
kann bei entsprechenden Anforderungsprofilen unmittelbar auf den
Elektromotor 1 aufmontiert sein, wobei als Werkstoff für seine
Herstellung vorteilhaft amagnetischer Stahl, vorzugsweise der Werkstoff
1.4571, zum Einsatz kommen kann.
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Als Abmessungen für diesen Vorratsbehälter 8 mit
Entlüftungsfunktion
eignen sich bei üblichen
Anforderungsprofilen eine Länge
von ca. 750 mm, eine Höhe
von ca. 250 mm und eine Breite von ca. 200 mm, wobei der Zulauf 9 und/oder
der Ablauf 11 des Vorratsbehälters 8 in DN50 ausgebildet
sein können.
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Der Vorratsbehälter 8 kann einen
rechteckigen oder einen runden Querschnitt aufweisen.
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Durch den Einsatz des vorstehend
geschilderten Vorratsbehälters 8 mit
Entlüftungsfunktion kann
die Entlüftung
des im drucklos geschlossenen Kühlkreislauf 3 vorhandenen
Kühlmediums
erheblich schneller vorgenommen werden, wodurch bei der Inbetriebnahme
der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung
die dazu benötigte
Zeitspanne erheblich reduziert werden kann. Des weiteren wird durch
den vergleichsweise großen,
durch den Vorratsbehälter 8 zur
Verfügung
gestellten drucklosen Raum ein völliger
Abbau des Systemdrucks innerhalb des drucklos geschlossenen Kühlkreislaufs
erreicht, was zu einer verstärkten
Ausschwemmung von Luft- und Gaseinschlüssen im gesamten Kühlkreislauf
führt.
Etwaig auftretende Luft- bzw. Gassäcke im übrigen drucklos geschlossenen
Kühlkreis 3 werden
hierdurch in Richtung auf diesen vergleichsweise großen drucklosen Raum
und damit die Stelle mit dem geringsten Druck abgesaugt.