DE1913163A1

DE1913163A1 - Transformator mit Waermeableitkoerper

Info

Publication number: DE1913163A1
Application number: DE19691913163
Authority: DE
Inventors: Marton Louis L
Original assignee: MARTON LOUIS L
Current assignee: MARTON LOUIS L
Priority date: 1968-03-18
Filing date: 1969-03-14
Publication date: 1969-10-09
Also published as: US3551863A; CH512135A; SE361972B; GB1239342A; FR2004169B1; FR2004169A1

Description

"Transformator mit Wärmeableitkörper"

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Transformatoren, die mit Wärmeableitkörpern ausgerüstet sind, und genauer gesagt auf verbesserte und wirkungsvollere Kühlanordnungen zur Ableitung von Wärme, die in den aktiven Teilen eines ortsfesten magnetischen Gerätes erzeugt wird, das mindestens einen aktiven Teil aufweist und einem Kühlmittelstrom ausgesetzt ist.

Eine gemeinsame Eigenschaft elektrischer Transformatoren und anderer magnetischer Geräte besteht darin, daß während des Betriebes in den aktiven Teilen (Wicklungen, Kern usw.) ein bestimmter Energieverlust auftritt, der einen Temperaturanstieg bewirkt. Dieser Temperaturanstieg ist der Hauptbegrenzungsfaktor und oft der einzige Begrenzungsfaktor hinsichtlich der Durchgangsleistung der Vorrichtung. Das Temperaturgefälle hält seinerseits einen Wärmestrom von dem Wärmezentrum der Wärmequelle in Richtung auf die Oberflächen des aktiven Teiles durch dessen innere Struktur aufrecht, die einen bestimmten Grad der Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die Wärme wird von der

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Patentanwälte Dipi.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtseh.-Ing, Axel Hanjmann, Dipl.-Phyi. Sebastian Herrmann

Opp*naii«r Büros PATENTANWALT DB. 8BJNHOtD SCHMIDT

Oberfläche teile durch das sie umgebende Kühlmittel wie z'.B. Luft, Öl usw. abgeleitet, teils durch natürliche Konvektion oder erzwungene Strömung, und teils durch Ausstrahlung. In den meisten Fällen tritt der größte Widerstand gegen die Wärmeströmung an den Oberflächen sswischen dem Peststoff und dem gasförmigen oder flüssigen Kühlmittel auf. Infolgedessen ist dies der Bereich, in dem sich der größte Teil des Temperaturgefälles, entwickelt. Das nächstgrößte Temperaturgefälle tritt bei vielschichtigen Wicklungen im Inneren auf, wo die innere Struktur der Wicklung eine Vielzahl von Isolierschichten enthält, die schiente Wärmeleitfähigkeit aufweisen.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht in der Verringerung desjenigen Teiles des Widerstandes gegen den Wärmestrom, der außen zwischen der Oberfläche der aktiven Teile des Transformators und dem Kühlmittel auftritt, um dadurch das Temperaturgefälle dieser aktiven Teile zu verringern, das oberhalb der Temperatur des Kühlmittels auftritt. Diese Verringerung kann durch die Anbringung von Oberflächen-Wärmeableitkörpern erzielt werden.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht neben der Verringerung des äußeren Widerstandes gegen den Wärmestrom an der Oberfläche in der Verringerung des Teiles des Widerstandes gegen den Wärmestrom, der innen in der Struktur der aktiven Teile auftritt, in-dem in den aktiven Teilen innere Wärmeübertragungsflächen geöffnet werden, die den größten Teil des inneren Widerstandes umgehen, der dem Wärmestrom im Wege ist. Diese Verringerung kann dadurch erzielt werden, daß nach innen verlängerte Wärmeableitkörper vorgesehen werden.

Ferner sollen erfindungsgemäß verschiedene praktische Möglichkeiten für die Verwendung der neuartigen Wärmeableitkörper in Transformatoren mit verschiedenen Ausbildungen, verschiedenen kVA-Nennleistungen und verschiedenen Kühlverfahren geschaffen werden. :

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Ferner soll erfindungsgemäß die wirtschaftliche Durchführung einfacherer Kühlverfahren auch auf höhere kVA-Nennleistungen erstreckt werden; so können z.B. durch natürliche Konvektion gekühlte Trockenaggregate" für Nennleistungen gebaut werden, für die gegenwärtig Druckluftkühlung erforderlich ist, und es können druckluftgekühlte Aggregate für alle Nennleistungen gebaut werden, für die gegenwärtig nur flüssigkeitsgekühlte Aggregate verwendet werden können, usw.

Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung von Wärmeableitkörpern in einem Transformator. Diese Wärmeableitkörper bestehen aus mindestens einem Blech aus einem Stoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit, das mechanisch durch wärmeleitfähige Mittel mit mindestens einer Wärmeübertragungsfläche des Transformators verbunden ist. Eine Wärmeübertragungsfläche ist dabei als eine äußere oder innere Fläche eines wärmeerzeugenden aktiven Teiles definiert, durch die die Wärme das aktive Teil verlässt und in den Wärmeableitkörper oder direkt in den Strom des Kühlmittels gelangt. Der Wärmeableitkörper nimmt einen Bereich ein, der ihn enthält, und besteht aus mindestens einem Blech aus einem Stoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit, an dem eine Vielzahl von Kühlrippen durch ein Vorlertigungsverfahren angebracht sind.

Gemäß einem weiteren wesentlichen Merkmal der vorliegenden Erfindung beträgt die Abmessung der Kühlrippen in einer Orientierungsachse (in den meisten Fällen in der Richtung des Wärmestromes) weniger als ein Viertel der Abmessung des Bereiches der Wärmeableitkörpers, gemessen in derselben Richtung. Gemäß einem weiteren wesentlichen Merkmal der vorliegenden Erfindung sind die Kühlrippen in mindestens einer der Zonen angeordnet, die durch Unterteilung des Bereiches, den der Wärmeableitkörper einnimmt, entlang dieser Achse in zwei Zonen mit im wesentlichen senkrechfzu der Achse verlaufenden Grenzlinien gebildet werden. Da die Abmessungen der Kühlrippen in der Richtung der Orientierungsachse verhältnismässig klein sind, hat

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das Kühlmittel nur kurzen Kontakt mit den Kühlrippen. Daher kann sich keine dicke Grenzschicht an den Oberflächen der Rippen aufbauen. Wenn die Kühlrippen in verschiedenen Zonen entlang dem Wärmestrom angeordnet sind, so daß die notwendige Kühlfläche erzielt werden kann, finden wiederholte Kontakte βΐ3ΐΐς Diese Anordnung führt zu einem geringfügig erhöhten Widerstand gegenüber der Strömung des Kühlmittels, wodurch die Stärke der Strömung verringert wird. Dieser Nachteil wird jedoch in genau ausgelegten Anordnungen durch die erhöhte Wärmeübertragung auf schmaleren Kühlrippenflächen infolge der verringerten Grenzschichtdicke ausgeglichen.

Gemäß einem weiteren wesentlichen Merkmal der Erfindung ist ein Oberflächen-Wärmeableitkörper mit einer offenliegenden Fläche der Wicklung, des Kernes, der Hülle und/oder des Kühlers des Transformators verbunden. Gemäß einem weiteren Merkmal kann ein verlängerter innerer Wärmeableitkörper mit einer Innenfläche des wärmeerzeugenden aktiven Teiles (Wicklung oder Kern) verbunden werden, wodurch die berührten Innenflächen in Übertragungsflächen umgewandelt werden und die Wärme über verlängerte Bereiche, die dem Kühlmittelstrom ausgesetzt sind, abgeleitet wird.

Gemäß weiteren Merkmalen können mindestens zwei Ableitbleche über der gleichen Oberfläche eines aktiven Teiles verwendet werden. Ferner können zwei Ableitbleche in einer Kühlleitung mit aufeinander zu ausgerichteten Kühlrippen verwendet werden. Alle diese Bleche können auch über mindestens eine Größenordnung des aktiven Teiles hinaus verlängert werden.

Die verbesserte Wärmeübertragung, die durch die Anbringung der neuartigen Wärmeableitkörper erzielt werden kann, ist das Ergebnis der kombinierten Verbesserungen zweier Faktoren der Wärmeübertragung:

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1. Die Vergrößerung der Wärmeableitflächen durch

1.1 Verlängerung bestehender Wärmeübertragungsflächen über ihre ursprünglichen Abmessungen hinaus durch Anbringung von Wärmeableitblechen mit größeren Abmessungen,

1.2 Umwandlung innerer Flächen in Wärmeübertragungsflächen durch Einführung kleiner Teile der verlängerten inneren Wärmeableitbleche in aktive Teile, z.B. zwischen Wicklungsschichten oder Kernbleche.

2. Die Einführung sehr wirkungsvoller, praktisch grenzschichtfreier Flächen als zusätzliche Wärmeableitfläehen unterVerwendung zusätzlicher Flächen wie z.B. Kühlrippen, Streifen oder schmale Blechflächen zwischen gestanzten Löchern usw., mit kleinen Abmessungen in Richtung des Wärmestromes. Bei derartigen Anordnungen entwickelt die Grenzschicht nur unbeachtlichen Dicken.

Es ist eine bekannte Tatsache, daß das Kühlmittel bestrebt ist, eine Grenzschicht zu bilden, die bei der Strömung entlang der Fläche an Dicke zunimmt, an der Fläche anhaftet und eine gute Wärmeübertragung zwischen der Fläche und dem Kühlmittel verhindert. Die Grenzschicht beginnt sich an der Vorderkante der Fläche zu bilden, wo sie jedoch von unbeachtlicher Dicke ist. Wenn die Fläche in eine Vielzahl von "Vorderkanten" gemäß der vorliegenden Erfindung unterteilt ist, wird die Wärmeübertragung erheblich erhöht.

Die erhöhte Wärmeübertragung kann von dem Konstrukteur in verschiedenster Weise ausgenützt werden. Eine Möglichkeit der Verwertung der erhöhten Wärmeübertragung führt zu der Verringerung von Größe und Gewicht der Aggregate durch die Verwendung höherer spezifischer Belastungsdaten, wie z.B. Stromdichte und Kraftliniendichte. Diese Verringerung kann ohne Erhöhung von Verlusten bis zu einer bestimmten kVA-Nennleistung erzielt werden,

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indem die gegenwärtig verwendeten inneren Kühlkanäle weggelassen und anstattdessen verlängerte innere Wärmeableitköfper verwendet werden. Dieser Ersatz führt zu einer Verringerung des Kupfergewichtes aufgrund der Verringerung der mittleren Windungslänge. Infolge der Verringerung des Kupfergewichtes kann auch das Gewicht des Kernes verringert werden, um ein wirtschaftliches Verhältnis aufrechtzuerhalten. In den Fällen, in denen eine geringe Erhöhung des Kupferverlustes zulässig ist, kann eine weitere drastische Gewichtsverringerung erzielt werden; wenn beispielsweise in einem 750 kVA-Trockentransformator, der mit 6 kW-Kupferverlust und 0,8 kW-Eisenverlust gebaut ist, was zu einem 99>1 folgen Wirkungsgrad führt (da keine Möglichkeit bestand, mehr als 6,8 kW Gesamtverluste zu verbrauchen) der Kupferverlust auf 12 kW unter Verwendung der neuartigen Ausbildung mit Wärmeableitkörpern erhöht würde, unterliegt der Wirkungsgrad nur einen geringen Verringerung auf 98,3 %, während das Gesamtgewicht des Aggregates um 50 % abnimmt.

Eine andere Möglichkeit, die erhöhte Wärmeübertragung zu verwerten, besteht in der Verringerung der Betriebstemperatur für die gleiche Nennleistung. Infolge einer geringeren Betriebstemperatur wird der temperaturabhängige Kupferverlust verringert und der Wirkungsgrad verbessert} ferner können die Kosten durch die Verwendung eines Isolierstoffes einer geringeren thermischen Qualität herabgesetzt werden. In einigen Fällen bietet eine Kombination der beiden Möglichkeiten, d.h., eine massige Verringerung des Gewichtes und der Temperatur zusammen mit dem Kupferverlust und der Verwendung einer Isolation aus einem Stoff mit geringerer thermischer Qualität die beste Lösung.

In flüssigkeitsgekühlten Transformatoren kann der Wärmeableitkörper dazu verwendet werden, die konvektive Wärmeübertragung auf den Kühlern und Gehäusewänden auf das Vierfache zu erhöhen, wodurch die Anzahl der notwendigen Kühler auf ein Viertel verringert werden kann.

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Weitere Ziele Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele hervor, die in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind.

Figur 1 ist eine Draufsicht auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Oberflächen-Wärmeableitbleches,

Figur 2 ist eine Seitenrissansicht des in Figur 1 gezeigten Wärmeableitbleches,

Figur 3 ist eine Längsschnittansicht eines veranschaulichenden Ausführungsbeispieles eines Transformators, der mit Wärmeableitkörpern in verschiedenen Anordnungen ausgerüstet ist,

Figur 4 ist eine Teillängsschnittansicht eines weiteren veranschaulichenden Ausführungsbeispieles eines Transformators, der mit verschiedenen verlängerten Wärmeableitkörpern ausgerüstet ist,

Figur 5 ist eine Teildraufsicht auf den in Figur 4 gezeigten Transformator,

Figur 6 ist eine Teilschnittansicht einer Transformator-Scheibenwicklung, die mit verlängerten inneren Wärmeableitkörpern ausgerüstet ist,

Figur 7 ist eine Teilschnittansicht entlang der Schnittebene A-A in Figur 6, in der ein Wärmeableitblech in Draufsicht gezeigt ist,

Figur 8 ist eine perspektivische Teilschnittansicht entlang der Schnittebene B-B in Figur 6,

Figur 9 ist eine Teilsehnittansicht des Schneidwerkzeuges für die Herstellung eines in Figur 8 gezeigten Wärmeableitkörpers, gezeigt in drei aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten A, B, C,

Figur IO ist eine senkrechte Schnittansicht eines Transformators, der mit Flachspulen und verlängerten Oberflächen-Wärmeableitkörpern ausgerüstet ist,

Figur 11 ist ein waagerechter Querschnitt des Transformators entlang der Schnittebene C-C in Figur 10,

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Figur 12 ist eine vergrösserte Darstellung des oberen Endes der in Figur 11 gezeigten Transfoimatorwicklung, Figur 13 ist eine Abwandlung der Figur 12,

Figur Ik ist eine Längsschnittansicht eines in einem Gehäuse angeordneten, luftgekühlten Transformators mit Oberflächen-Wärmeableitkörpern, in der die Anordnungen für geschlossene und offene natürliche Konvektion und Druckluftkühlung veranschaulicht sind,

Figur 15 ist «ine Teilseitenrissansicht eines flüssigkeitsgekühlten Transformators, dessen Gehäuse und Kühler mit Oberflächen-Wärmeableitkörpern ausgerüstet sind, und

Figur 16 ist eine Querschnittsansicht eines einzelnen Kühlerelementes, das an beiden Seiten mit Oberflächen-Wärmeableitkörpern versehen ist.

In den Figuren 1 und 2 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein vorgefertigtes Wärmeableitblech zur Verbesserung der Wärmeübertragung an jeder beliebigen Fläche gezeigt, die einem Kühlmittelstrom ausgesetzt ist. Das Wärmeableitblech wird aus einem durchgehenden Blech hergestellt. Unter Verwendung eines geeigneten Werkzeuges wird eine dreirandige, im wesentlichen rechteckige Rippe aus dem Metall herausgestanzt und um den unversehrten vierten Rand im wesentlichen rechtwinklig umgebogen. Diese Rippen sind alle so umgebogen, daß sie von derselben Seite des Bleches abstehen. Die großen Flächen der Rippen verlaufen im wesentlichen parallel zu einer Ausrichtungsachse (die im allgemeinen die Richtung des Kühlmittelstromes darstellt, mit einer am Ende dieses Absatzes ausführlicher beschriebenen Ausnahme) und im wesentlichen rechtwinklig zu dem festeren Bereich des Bleches. Wenngleich gemäß der vorliegenden Erfindung auch andere Formen der Wärmeableitbleche verwendet werden können (z.B. durchgehende Bleche mit aufgeschweissten Rippen oder gestanzte Bleche mit anderen Stanzmustern usw.), weist die gezeigte Anordnung bestimmte Vorteile auf, wie z.B. geringe Herstellungskosten und in einigen Fällen zusätzliche-Wärmeübertragungsfähigkeit, wie es weiter unten im Zusammenhang mit den Figuren 3 und 16 hervorgehoben wird. Aus den Figuren 1 und 2 geht hervor,

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daß das Metallblech 1 im wesentlichen rechteckige Rippen 2 in paarweise vorgesehenen Reihen gemäß einem regelmässigen Muster aufweist, wobei jedes Reihenpaar in einer Zone enthalten ist. In der ersten Reihe, die den oberen Teil der ersten Zone darstellt, befindet sich das Loch jeder Rippe (das in dem Vorfertigungsverfahren gestanzt worden ist und nachstehend als "Stanzloch" bezeichnet wird) auf der linken Seite. In der zweiten Reihe, die den unteren Teil der ersten Zone bildet, befindet sich jedes Stanzloch rechts von der Rippe. In der dritten Reihe, die den oberen Teil der zweiten Zone bildet, ist das Stanzloch wieder auf der linken Seite der Rippe und so weiter. Bei Blechen mit einer rippenlosen Zone können in die letztere Sichtschlitze gestanzt sein, die rechtwinklig zu den Rändern verlaufen, um die Ausrichtung des Bleches beim Wickelvorgang zu erleichtern. Die Löcher und Rippen können sich verjüngend ausgebildet sein, symmetrisch (Al und A2') oder asymmetrisch (Bl, B2 und Gl) sein. In extremen Fällen können die LoOher sich verjüngend ausgebildet sein, mit einem rechten Winkel an dem oberen Rand (Bl) oder an dem unteren Rand (Ci) wobei die oberen Ränder beider Löcher auf der Zonenbegrenzungslinie 3 verbleiben. Der Abstand d. zwischen den Begrenzungslinien 4· und 5 ist etwas geringer als der Abstand d_ß zwischen den Zonenbegrenzungslinien 3^! und 6, während die Fläche der Rippen die gleiche bleibt. Ein größerer Abstand d„ ist vorteilhafter bei der praktischen Anwendung, weil dadurch mehr Raum für das Bandagieren und für das Schneiden des Bleches zur Verfügung steht und dennoch ein glatter Rand beibehalten wird. Eine geringfügig gekippte Anordnung, wie sie durch das Loch Cl veranschaulicht wird, führt zu einem kleinen Winkel zwischen der Rippenflache 7 und der Richtung des Kühlmittelstromes Wenn ein größerer Winkel bevorzugt wird, um in einigen Fällen die Wärmeübertragung zu verbessern (Einzelheiten hierüber siehe weiter unten in Verbindung mit Figur 15) fallen die oberen Ränder der Löcher Ci schräg ab und verlaufen über die Zonenbegrenzungslinie 3 hinaus.

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Gemäß der vorliegenden.Erfindung sind die Kühlrippen auf dem ^wärmeableitkörper schmaler als ein Viertel des von dem Wärmeableitkörper eingenommenen Bereiches, wobei beide Abmeesungen in Richtung des Kühlmittelstromes gemessen sind. Die Rippen sind in mindestens einer der Zonen angeordnet, die durch Unterteilung des von dem Wärmeableitkörper eingenommenen Bereiches in mindestens zwei Zonen entlang der Orientierungsachse gebildet werden. Größere Rippenabmessungen in Richtung des Kiihlmittelstromes ermöglichen die Entwicklung einer zunehmend dickeren Grenzschicht entlang der Rippenfläche, was zu einer Verringerung der Wärmeübertragung in Richtung auf den hinteren Rand der Rippe und zu einem erhöhten Widerstand gegen den Kühlmittelstrom führt (infolge der längeren Reibungsfläche entlang den größeren Abmessungen). Wenn andererseits der Kühlmittelstrom bei der Durchquerung der aufeinander lgendeii Zonen entlang einer Anzahl schmaler Rippen verläuft, nimmt der Strömungswiderstand zwar zu (besonders in Kühlmittelkanälen). Trotzdem kann die Wärmeübertragung infolge der geringeren Grenzschichtdicke auf den schmaleren Rippen verbessert werden. Der beste Kompromiss kann experimentell für jeden besonderen Fall gefunden werden. Weiter unten werden einige Ergebnisse angegeben. -...-..

Weitere Vorteile des in Figur 1 gezeigten Musters ergeben sich, wenn es in Kühlmittelkanalanordnungen verwendet wird,, bei denen zwei Wärmeableitbleche einander gegenüberliegen und die Rippen so ausgerichtet sind, daß sie dem Kühlmittelstrom in dem Kanal ausgesetzt sind. Es ist leicht, auf der Grundlage der Figur 1 Muster zu entwerfen, bei denen mindestens die Hälfte der Rippen auf eine feste Metallfläche in jeder relativen Stel-. lung trifft, so daß die Rippen daran gehindert werden^ durch . ,^. die Stanzlöcher hindurchzudringen und eine mögliche Beschädigung des Isolierstoffes unter dem Metallblech vermieden wird. Ein weiterer Vorteil besteht in einer einheitlicheren Biegefestigkeit, da das gestanzte Blech keine Neigung hat, bei dem Umbiegen der Rippen vieleckig zu werden, wie es im Falle von Blechen ist, bei denen die Löcher alle in der gleichen Rich-

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tung gestanzt werden.

Oberflächen-Wärmeableitkörper, beispielsweise wie die in Figur 1 und 2 gezeigten, werden auf den Wärmeübertr®ingsflachen von aktiven Teilen verwendet, die normalerweise einem Kühlmittel-, strom ausgesetzt sind. Die Wärmeableitbleche sind mechanisch durch wärmeleitfähige Mittel mit den Wärmeübertragungsflächen verbunden, und sie können über die Abmessungen ihrer Über— tragungsflache hinaus verlängert werden. Im nachfolgenden wird das Maß der Wärmeübertragung in W/f (f = Flächeneinheit i 6,4516 cm ) in Beziehung zu der Wärmeübertragungsfläche des aktiven Teiles gesetzt, das sich tatsächlich in Berührung mit dem Wärmeableitblech befindet, mit der im Zusammenhang mit Figur 16 beschriebenen Ausnahme.

Die optimalen Ab»ssungen der Eippenanordnung sind bei den verschiedenen Anwendungsfällen für den WärmeableitkUrper verschieden. Für natürliche Konvektion und Wärmestrahlung, an in Luft befindlichen Außenflächen, kann eine Wärmeübertragung nahe 2 W/f mit einem der besten Ausführungsbeispiele ohne Verlängerungen erzielt werden, wenn ein Temperaturgefälle von 1OO°C über 25°C Umgebungstemperatur besteht. Dieser Wert stellt eine Verbesserung um nahezu das Doppelte verglichen mit einer rippenlosen Fläche dar. Die Abmessungen dieses Ausführungsbeispieles sind die folgenden: Gesamte senkrechte Höhe (Bereich, den der Wärmeableitkörper einnimmt) H„, * 127,0 mm. Die anderen Abmessungen der in Figur i gezeigten Strecken sind die folgenden: X = 9,52 mm; Y = 31,8 mm; L= 12,7 mm; H = 12,7 mm; W = 0,813 mm. Auf einer Fläche mit größerer Höhe, z.B. H™ β 25^,0 mm, kann für die Wärmeübertragung eine Abweichung von etwa 5 % erwartet werden, wenn der Zugang von Frischluft unbegrenzt ist.

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Wenn dieselben Rippenabmessungen bei der gemeinsamen Verwendung zweier Wärme^ableitbleche verwendet werden, die in einem Kanal einander gegenüberliegen, und wenn die gleiche Hippendichfce beibehalten wird (durch Stanzen der Rippen in/ler ersten Zone auf dem Blech, das auf einer Seite des Kanals angeordnet wird und in der zweiten Zone auf der gegenüberliegenden Seite des Kanals und so weiter), beträgt die Wärmeübertragung unter denselben Bedingungen etwa 1 W/£. Dies bedeutet ein 50 folge Verbesserung gegenüber Kanälen mit den gleichen Abmessungen, und . rippenlosen Flächen. Die Wärmeübertragung kann um etwa 15 % auf 1,15 W/f durch die Verwendung von 19»0 mm langen Rippen in einem 19»0 mm breiten Kanal verbessert werden, jedoch wird bei Verdopplung der Gesamthöhe des Kanals auf Ή. s 254,0 mm der Wert der Wärmeübe rtx*agung auf etwa 0,95 -W/f herabgesetzt.

Wenn eine Druckluftkühlung verwendet wird, ist ein Wert von 8 bis 12 W/f mit derselben Anordnung selbst bei langen Kanälen erzielbar, ohne die sinnvollen Grenzen für den Druckabfall zu überschreiten; beispielsweise in einem 12,7 mia breiten und 2'54t,O-mm langen Kanal ist ein Druckabfall von 5?O8 bis 7,6"2 mm Wassersäule ausreichend. Infolgedessen bieten einfache Propeller« gebläse mit an einem Gehäuse angeschlossenem Yenturigehäuse, wodurch verhindert wird,, daß die Luft die Wärmeableitkörper umgeht, zufriedenstellende Lösungen, selbst in den Fällen, in denen auch alternativ natürliche Konvektionssktilalung erwünscht ist.

Für in Luft durch natürliche Konvektion gekühlte Troekenaggregate mit einer Einphasen-Nennleistung von etwa 100 kVA, ist die beste Anordnung, verhältnismässig kurze Spulen ohne Kanäle au bauen, die daher eine verringerte "mittlere" Win— dungslänge und ein verringertes Kupfergewicht aufweisen. Diese Anordnung führt auch zu kurzsehenkligea, gedrängten Kernen} ferner führt diese Anordnung zu eingewickelten

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ren und/oder herumgewickelten äußeren Wärmeableitkörpern, die aus schwereren, bis zu 1,6 mm dicken oder doppelten Aluminiumblechen hergestellt sind und wesentlich über die axialen Abmessungen der ¥icklung hinaus verlaufen (wie in Figur 3 gezeigt),

In Figur 3 ist ein Transformator veranschaulicht, der einen Kern 9 und eine Wicklung 10 aufweist, die verlängerte Wärmeableitkörper in verschiedenen Ausführungen aufweist. Auf der linken Seite sind zwei Wärmeableitbleche an der Außenfläche über der obersten Isolierschicht 11 der Wicklung 10 angeordnet. Beide Wärmeableitbleche nehmen einen Bereich ein, der langer ist, als die axiale Länge der Wicklung 10. Der von den Wärmeableitblechen eingenommene Bereich ist in neun Zonen unterteilt, von denen jede eine Vielzahl von Rippen auf dem äußeren Blech enthält. An dem inneren Blech enthalten jedoch nur die ersten beiden und die letzten beiden Zonen Rippen. Das innere Blech 12.1 ist um die Isolierschicht 11 herumgewickelt, wobei sein mittlerer Bereich keine Rippen aufweist. Es weist nur an seinen Verlängerungen Rippen auf, die in Richtung auf die Mitte der Wicklung ausgerichtet sind. Direkt auf der. Oberseite des inneren Bleches 12.1 ist das äußere Blech 12.2 mit über seiner ganzen Fläche befindlichen Rippen aufgewickelt und mit seinen Stanzlöchern in Ausrichtung auf die Stanzlöcher in dem inneren Blech 12.1 ausgerichtet, so daß Luft durch die Löcher sowohl der oberen als auch der unteren Verlängerungen entlang der durch die Pfeile 13.1 bzw. 13.2 angedeuteten Strömungsstrecke strömen kann. Die Rippen des zweiten Bleches 12.2 sind von den Rippen des ersten Bleches 12.1 hinweg ausgerichtet.

Die Wärmeübertragung auf den Verlängerungsflächen des Wärmeübertragungskörpers ist pro Flächeneinheit höher, da die gesamten verlängerten Flächen aus schmalen Streifen mit praktisch grenzechichtfreien Flächen bestehen, einschlieeslich des ^leches selbst zwischen den Löchern.

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Es ist möglich, die Wärmeübertragung bei der gleichen Anordnung sogar noch weiter zu verbessern, ohne die Oberflächen zu ändern, indem einfach die verlängerten Teile der Wärmeableitkörper entlang den Strecken der Wärmeströmung in Streifen aufgeschnitten und auseinandergebogen werden.

Auf der rechten Seite der Figur 3 sind verschiedene Ausführungen des durch dieses Verfahren erzeugten Wärmeableitkörpers veranschaulicht. Um die Klarheit der Veranschaulichung beizubehalten, sind im Hintergrund befindliche Streifen nicht gezeigt, über der oberen Fläche der Isolierschicht 11 wird ein Wärraeableitblech 12.11 mit vorgefertigten Verlängerungen angebracht. Seine oberste Verlängerung 12.HA weist ausgestanzte Rippen 12.HB auf und ist in Streifen aufgeschnitten, die zwei oder vier senkrechte Reihen von Rippen enthalten. Nachdem das Blech angebracht worden ist, werden die Streifen nach außen gebogen, um die Luftbewegung zwischen ihnen zu erleichtern, was für den Konvektionsprozess den Zugang von mehr Luft gestattet. Die unteren Verlängerungen des Bleches 12.11 sind in einfache schmale parallele Streifen 12.HC aufgeschnitten und so verdreht, daß die Ebenen der Streifen in eine Ausrichtung gebracht werden, in der sie im wesentlichen rechtwinklig zu der ursprünglichen Ebene des Bleches 12.11 verlaufen. Nachdem das Blech um die Wicklung gewickelt worden ist, können die verdrehten Streifen 12.HC nach oben in eine Stellung gebogen werden, in der sie annähernd waagerecht verlaufen, wie dargestellt, wobei ihre schraubenförmige Übergangsflache nahe an dem Hauptkörper des um die Wicklung gewickelten Bleches 'liegt-.

Diese Anordnung kann an äußeren oder inneren Blechen an beiden Enden verwendet werden. Da die Anordnung in den Streifen keine Verengungen aufweist, die die Wärmeströmung einschränken, und da durch diese Anordnung die gesamten Flächen auf beiden Seiten als eine praktisch gjenzschichtfreie Wärmeableitflache zur Verfugung stellt, die im wesentlichen iß Richtung uea Luftstromes ausgerichtet ist, wird mit dieser Anordnung die beste Wärmeübertragung unter den verschiedenen Anordnungen für die

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Wärmeableitkörper für kurze Wicklungen (unter 304_ρ8 sun) erzielt; infolgedessen wird diesem Verfahren immer dann der Vorzug gegeben, wenn die Abmessungen der Spule seine Anwendung wirtschaftlich vernünftig erscheinen lässt.

.Ein zweites Blech 12.12 bedeckt die Bodenfläch© der gleichen Schicht 11. Die Verlangerungsstreifen 12.12A des Bleches 12.12 sind in diesem veranschaulichenden AusfuhrungsbeispM nach oben gebogen, um in dem Fenster des Kernes 9 aufgenommen zu werden. Ein Blech 12.21 ist direkt über das Blech 12.11 gewickelt und ein Blech 12.22 über das Blech 12*12, Beide Bleche haben ausgestanzte Rippen, die ihre gesamte Fläche bedecken.* Das Blech 12.21 weist eine obere Verlängerung 12.21A auf₉ die aufgeschnitten und umgebogen ist, wie in Figur 3 gezeigt, um den Luftstrom entlang beiden Seiten der Streifen zu gestatten.

Da die Verwendung von Streifen, als Verlängerungen eine größere Bewegungsfreiheit für die Kühlluft ermöglicht, können zusätzliche verlängerte WärmealsleitOleche? wie z.B„ das Bisch 14j, uia eine oder mehrere inner© Schichten der Wicklung gewickelt werden. Die Verlängerungen 14B_? 14C des Bleches 14 sind in diesem Beispiel gleich den.entsprechenden'Verlängerungen des Bleches 12.11. Das innere Blech 14 schafft innere Wärmeübertragungsflächen für die Wicklung auf ihren !beiden Seiten, ohne die übliche Erhöhung der mittleren Windungslänge (wie im Fall der herkömmlichen Kühlkanäle)., wodurch das innere Temperaturgefälle und die Temperaturen der ata stärken beanspruchten Teile der Wicklung wirkungsvoll herabgesetzt werden. Um.den WicklungsVorgang unü die Handhabung zu erleichtern, können zwei dünnere Bleche in enger Berührung miteinander verwendet werden? die eine vorgefertigte Verlängerungsflache (eine nach oben und eine nach unten ausgerichtete) und eine breitere rippenlose Fläch© aufweisen, die je nach der axialen Abmessung jeder Wicklung zugeschnitten werden können. Die beiden Bleche können mit einer elektrisch isolierenden Schicht -zu Verhinderung von Wirbelströraeη zwischen ihnen und

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mit Sichtschlitzen für ihre Ausrichtung versehen sein.

Um die Anbringung von inneren, verlängerten Wärmeableitkörpern in größeren Transformatoren zu ermöglichen, kann die Wicklung aus Schichten aufgebaut werden, zwischen denen genug Raum gelassen wird, um die herausgebogenen Verlängerungen wie z.B. die Verlängerungen 14C aufzunehmen. Es besteht auch die Möglichkeit, Verlängerungen dieser Art in langen Schichtwickelspulen zu verwenden, indem periodisch zwischen den Windungen Zwischenräume gebildet werden, die der Aufnahme der aufgebogenen Verlängerungen dienen.

Ein veranschaulichendes Ausführungsbeispiel eines Herstellungswerkzeuges für die Vorfertigung der mit den verdrehten Streifenverlängerungen ausgerüsteten Bleche, wie z.B. 12.IiG und 14C wird weiter unten in Verbindung mit Figur 9 erörtert.

Wenn auf den Wicklungsflächen Wärmeableitkörper verwendet werden, wird die Wärmeübertragung durch die Schichten der Wicklung auch vervielfacht. Um die Entwicklung großer innerer Temperaturunterschiede zu vermeiden, sollte Sorgfalt darauf verwendet werden, den Wärmewiderstand in der Spule so gering wie möglich zu halten. Um denjenigen Teil des Wärme-Widerstandes, der auf der Schichtisolierung beruht, zu ver-.ringern, können besondere Isolierfolien mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit verwendet werden. Diese Verbesserung kann durch Einbettung feiner Körner eines festen Isolierstoffes mit hoher Wärmeleitfähigkeit (z.B. feiner Kieselerdesand) in den Grundstoff der Isolierfolie erzielt werden. Eine andere Möglichkeit zur Verbesserung des Grades der Wärmeleitfähigkeit bei der inneren Wärmeübertragung besteht in engem Wickeln, kombiniert mit hohlraumloser Vakuumimprägnierung. Wärmeableitkörper sollten Mittel für die gute Wärmeleitung mit den Flächen aufweisen, an denen sie die Wärme aufnehmen. Sie sollten daher sorgfältig so gebogen werden, daß sie der Krümmung der Fläche folgen, und dann fest angezogen werden. Bei rechteckigen Wicklungen

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kann die Festigkeit unter Verwendung eines Dornes verbessert werden, der eine leichte Auswärtswölbung an allen Seiten und einen Eckradius aufweist, der mindestens die doppelte Drahtabmessung aufweist, wie in Figur 4 gezeigt. Jede Neigung der ersten Isolierschicht zum Ausknicken (während der Imprägnierung) kann dadurch unterbunden werden, daß ein vorübergehend angebrachtes Verstärkungsmetallblech (beispielsweise aus Kernstahl ausgeschnitten) unter dieser Schicht aufgewickelt wird und nach der Imprägnierung und der Ofenbehandlung abgeschält wird.

Bei Spulen, in denen Taschen des Imprägnierstoffes oder Lufttaschen erwartet werden können, kann die Wärmeleitfähigkeit dieser Taschen erheblich verbessert werden, indem die Taschen mit Eieselerdesand gefüllt werden, der aus sehr kleinen Körnern mit verschiedener Korngröße zusammengesetzt ist. Der Kieselerdefüllstoff, der in dem Imprägnierstoff eingebettet ist, ist in der Lage, alle inneren Zwischenräume wirkungsvoll zu überbrücken. Das beste Verfahren zur Einbringung der Kieselsäure in den Zwischenraum besteht darin, trockene Kieselerde mit einem vorübergehend flüssigen Bindemittel zu mischen, eine pastenartige Mischung zu erhalten, die dann je nach Bedarf auf jede Schicht aufgetragen wird, untere Bereiche aufzufüllen, und während des Wickelvorganges ebene Schichtflächen herzustellen. Nach der Vakuumtrocknung und Vakuumimprägnierung kann das flüssige Bindemittel ohne weiteres mit dem flüssigen Imprägnierungsstoff ausgetauscht werden. Wenn keine Vakuumimprägnierungs-Ausrüstung zur Verfügung steht, können verhältnismässig gute Ergebnisse dadurch erzielt werden, daß man die Kieselerde mit dem endgültigen Imprägnierungsstoff mischt, diese Mischung je nach Bedarf auf die Schichten aufträgt und in einem Ofen härtet.

Für größere Trockentransformatoren mit einer Einphasen-Nennleistung von mehr als etwa 100 kVA, bieten die in den Figuren k und 5 gezeigten Wärmeableitkörper-Anordnungen ge-

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wisse Vorteile, besonders wenn eine wahlweise Möglichkeit'für den Betrieb mit Druckluftkühlung bei erhöhter kVA-Nennleistung erwünscht ist. Auf dem Schenkel 15 eines Magnetkernes wird eine vielschichtige Wicklung 16 aufgenommen. Sechs Wärineableitbleche, die über die Länge der Wicklung hinaus verlaufen, sind an der Wicklung an jedem ihrer Endteile angebracht und stehen in waagerechter Richtung über die längeren Umfangslinien des Kernes hinaus. Ein Blech 17 ist an der inneren Endfläche der Wicklung angebracht, wobei Rippen einen Kanal zwischen dem Scheitel 15 und der Wicklung Ib durcldringen. Um die Kernverluste abzuleiten, sind die Wärmeableitkörper 18 in dem gleichen Kanal angeordnet und mit dem Kern 15 an dessen geschichteten Flächen verbunden. Unterhalb der letzten Schicht der ersten Wicklung (beispielsweise der Primärwicklung) wird ein weiterer Kanal 19 an den Endteilen ausgebildet, indem zwei Wärmeableitbleche 20, 21 entlang der äusseren Fläche der zweitletzten Schicht der Wicklung angebracht werden und ein Blech 22 entlang der inneren fläche der obersten Schicht der ersten (beispielsweise primären) Wicklung angebracht wird. Das Blech 20, das näher an der Wicklungsoberfläche liegt, weist nur Kippen in den Zonen auf seiner Verlängerungsfläche auf. Diese Rippen sind in Richtung auf den Kern ausgerichtet. Die Bleche 21 und 22 weisen über ihre gesamten Flächen Rippen auf, die bei dem Blech 21 von dem Kern hinweg und bei dem Blech 22 in Richtung auf den Kern und damit in den durch den Kanal 19 strömenden Luftstrom ausgerichtet sind. Die Stanzlö'cher der Bleche 20 und 21 sind aufeinander ausgerichtet, um die Bewegung des Kühlmittels zu erleichtern.

Wenn die Wärmeübertragung durch natürliche Konvektion vollzogen wird, sollte die Dichte der Rippen in den Kanälen erheb-= lieh gegenüber der Dichte auf den Außenflächen verringert wer_r den, um die Bewegung des Kühlmittels zu erleichtern,, Bei einer lichten Weite des Kanals von 12,7 mm und einer Länge des Kanals von 152,4 mm sollten 12,7 mm breite Rippen in senkrechter Rich-: tung nicht enger als in einem Abstand von 31*8 mm stehen,

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während die senkrechten Reihen eine waagerechten Abstand von etwa 12,7 mm haben sollten. Die Hauptisolierung 23 wird über der letzten Schicht der ersten Wicklung angebracht und muß die volle Meßspannung zwischen der primären und der sekundären Wicklung aushalten. An der Oberseite der Sekundärwicklung sind Wärmeableitbleche 2h und 25 angeordnet. Alle Bleche sind über die Länge der Wicklung hinaus verlängert. Bei den Blechen 2h und 25 sind wie bei den Blechen 20 und 21 die Rippen auseinandergeriehtet und die Stanzlöcher aufeinander ausgerichtet, um die Bewegung der Luft zu erleichtern.

Die Wärmeableitbleche sind von der nächsten Schicht der Wicklung durch die normale Schichtisolierung getrennt und können mit einer Stelle in der nächsten Schicht verbunden werden, an der die Spannung infolge der induktiven Spannungsverteilung am nächsten an dem Spannungspegel der Wärmeableitungsbleche infolge kapazitiver Spannungsverteilung liegt. Diese Anordnung ermöglicht es, daß die Wärmeableitbleches eine sekundäre Rolle als Abschirmungen gegen SpannungsstUsse spielen, wodurch hochfrequente Schwankungen an der Wicklung verhindert werden, falls eine plötzliche Spannungsänderung durch einen SchaltVorgang, einen Blitzschlag oder jede andere beliebige Ursache für einen Spannungsstoß erzeugt wird.

Die beste Anordnung für innere Wärmeableitkörper ist die, bei der die Wärme nicht durch schwere elektrische Isolierschichten strömen muß. Dieses Strömungsbild kann in den meisten Fällen erzielt werden, indem für die inneren Wärmeableitkörper Schichten gewählt werden, die eine Entwicklung der inneren Spitzentemperatur zwischen zwei Ableitkörpern, wie z.B. 22 und 24t, in der Linie der schweren Isolierschicht (z.B. 23) ermöglichen.

Bei Dreiphasenkernaggregateii ist der mittlere Schenkel hinsichtlich der Wärmeableitung stets In einer nachteiligen Situation. Diese Situation kann ohne weiteres durch Verwendung zusätzlicher Wärmeableitkörper korrigiert werden, und zwar in vorteilhaftester Weise an der Oberfläche der Wicklung, z*B»

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mm GtKj ^—·

durch Anbringung eines Wärmeableitbleches 26 (siehe Figur 5) um die gesamte Außenseite der Spule, wobei man das Wärmeableitblech in dem Fensterbereich der Spulen an den äußeren Schenkel des Kernes weglässt.

• Die verlängerten Teile der Wärmeableitbleche können mit den gleichen Vorteilen wie oben in Verbindung mit Figur 3 beschrieben aufgeschnitten und auseinandergebogen werden.

Bei Anordnungen, in denen zwei Wärmeableitbleche in einer Wicklung in enger Berührung miteinander verwendet werden, sollte genügend elektrische Isolierung angebracht werden, und zwar in zweckmässigster Weise in Form eines Beschichtungsfilmes, um Wirbelströme zu verringern, die durch Streufluß zwischen den Blechen erzeugt werden können.

Für Wicklungen größerer Transformatoren, die aus flachen waagerechten Scheiben bestehen, die auf den Schenkeln aufgestapelt sind, können flache, scheibenartige, verlängerte Wärmeableitkörper mit kühlschlitzartiger Rippenstruktur verwendet werden. In den Figuren 6 bis 8 ist ein veranschaulichendes Beispiel der scheibenartigen Wärmeableitkörper gezeigt, bei dem eine kühlschlitzartige Struktur entlang dem Außenumfang der Wicklung verläuft. Auf einem isolierenden Rohr 27 werden zwischen isolierenden Ringen 28 und Scheiben 29 Wärmeableitkörper in Form vorgefertigter Metallscheibensegmente 30 angeordnet, indan sie zwischen den Scheibenwicklungen 31 aufgestapelt werden« Auf den Metallsegmenten 30 sind eine Vielzahl von im wesentlichen rechteckigen Rippen 32 (in einer Reihe entlang der Umfangelinie, der Wicklung angeordnet) entlang ihren beiden radialen Seiten durch ein Werkzeug ausgestanzt und aus ihrer Ebene nahe an eine Richtung gedreht worden, die im rechten Winkel zu der Ebene des Wärmeableitkörpers verläuft* Diese luftsohlitzartige Anordnung lässt das Kühlmittel hindurchströmen, wie es z.B. durch den Pfeil 33 in Figur S gezeigt ist, wodurch eine sehr wirkungsvolle Wärmeübertragung an den ver-

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hältnismässig schmalen, praktisch grenzschichtfreien Rippenflächen hervorgerufen wird.

Um übermässig hohe zusätzliche Verluste in den Wärmeableitblechen infolge von Wirbelströmen zu vermeiden, die durch starken Streufluß erzeugt werden, der die Bleche durchdringt, können die Segmente aufgeschnitten oder schmale Trennkanäle J>k entlang den Strecken der Wärmeströmung so nahe einander wie benötigt ausgestanzt werden. Wenn zwischen den Rippen 32 das Auftreten von Streufluß erwartet werden kann, sollten die Kanäle 34 bis zu dem Rand verlängert werden, wie es durch den Kanal 34A in Figur 7 veranschaulicht ist.

Figur 9 zeigt ein veranschaulichendes Ausführungsbeispiel eines Schneidwerkzeuges zur Vorfertigung der luftschlitzartigen Rippenstrukturen 32, 12.IiC und 14G (die letzteren beiden in Figur 3 gezeigt). Eine Vielzahl von Schneidklingen sind aufeinander ausgerichtet angeordnet, um Mehrfachschnitte durchzuführen. Die Klingen 32.1 des unteren, unbeweglichen Teiles der Schneidvorrichtung sind mit ihren Schneidkanten nach oben ausgerichtet. Die in senkrechte Richtung bewegbaren oberen Klingen 32.2 sind mit ihren Schneidkanten nach unten ausgerichtet. Die Kanten beider Schneidklingengruppen sind in waagerechter Richtung ausgerichtet. In Figur 9 sind jedoch die drei oberen Klingen in drei aufeinanderfolgenden Phasen ihrer Abwärtsbewegung A, B und. C gezeigt, um den Schneid- und VerdrehungsVorgang zu zeigen. Das Metallblech wird in der Stellung32A zwischen die Schneidkanten eingeführt. Die Klingen beginnen den Schneidvorgang Phase A, Sodann werden durch die weitere Bewegung die Streifen durch die abgerundeten hinteren Ränder der Klingen verdreht (Phase B), während die Mittellinie 320 der Streifen sich ebenfalls abwärts bewegt. Die das Blech tragende Einrichtung sollte dieser Bewegung folgen^ um eine verdrehte Rippe zu erzeugen, die an der Basislinie nicht umgebogen ist. An der untersten Stellung der oberen Klingen (Phase c) wird jede Rippe zwischen der senkrechten RUckfläche der Klingen zusammengedrückt und nimmt ihre endgültige Form an, während

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sieh das Blech seitost in die Stellung 32B bewegt.

Zwei Beispiele für die Anbringung von Wärmeableitkörpern in ebener Form sind in den Figuren IO bis 13 veranschaulicht. In den Figuren 10 bis 12 ist ein Manteltransformator gezeigt, der einen senkrechten Schenkel 35 «ad rechteckige Flachwicklungen aufweist, wobei Primärspulen 36 und Sekundärspulen 37 paar-, weise angeordnet sind und eine feste Hauptisolierung 38 zwischen sich haben. Die Wärmeableitkörper 39 werden zwischen den beiden Primärwicklungen 36 und zwischen den beiden Sekundärwicklungen 37 angeordnet, sowie an dem Ende des Festers zwischen der letzten Wicklung und dem Kern (39A in den Figuren 11 und 12), von der Wicklung nur durch die Sehichtisolierung 38A getrennt. Bei dieser Anordnung befinden sich die durch die Wärmeableitkörper aufgebauten Kanäle zwischen Gruppen mit ausgeglichener Streuung, wo sich kein Streufluß entwickelt. Bei einer anderen Anordnung, die in Figur 13 gezeigt ist, wird zur Erzielung einer hohen inneren Impedanz ein größerer Abstand zwischen den Primärspulen 40 und den Sekundärspulen 41 verwendet. In dem Streuungskanal sind daher zwei Wärmeableitkörper 42 angeordnet, wobei sich die Schichtisolierung 43 in Nähe der Wicklungen, getrennt durch einen Stapel befindet, der aus der Hauptisolierung 43A besteht, die zwischen zwei Metallblechen 44 angeordnet ist. Da der volle Streufluß zwischen den Priniär- und Sekundärspulen auftritt und bestrebt ist, Wirbelströme in den Schleifen zu erzeugen, die sich aus durch die Bleche 44 kurzgeschlossenen Rippen zusammensetzen, sind die Bleche 44 mit einem Isolierfilm beschichtet, um die notwendige elektrische Isolierung zu bilden, die für die Verhinderung von Wirbelströmen zwischen den Blechen 42 und 44 benötigt wird.

Das in Figur 10 gezeigte Aggregat ist mit einer Gruppe von Propellergebläsen 45 ausgerüstet, die in kreisförmigen Venturirohren 46 angeordnet sind, die mit einem Gehäuse 47 verbunden sind, das den unteren Teil des Aggregates in senkrechter Richtung einschliesst. Wenn die Propellergebläs© nicht in Betrieb

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sind, kann das Aggregat Kühlluft durch natürliche Konvektion aus den Gebläseöffnungen erhalten. Wenn die Gebläse arbeiten, kann mindestens viermal soviel Wärme abgeleitet und die kVA-Last auf mindestens ihren doppelten Wert erhöht werden.

Eine weitere Anordnung ist in Figur 14 für luftgekühlte Transformatoren gezeigt, die für den Betrieb mit natürlicher Konvektion und wahlweise mit Druckluftkühlung ausgelegt sind. Ein Trockentransformator 45 mit an seinen Wicklungen angebrachten Wärmeableitkörpern 46 ist rait einem Gebläse 47 ausgerüstet, das in einer umgehungsfreien Umhüllung 48 untergebracht ist. Selbst wenn das Gehäuse 47 nicht läuft, erhalten die Oberflächen-Wärmeableitkörper in dem Kanal Kühlluft durch die Gebläseöffnung entlang den Pfeilen 49, während die äusseren Oberflächen-Wärmeableitköi-per ihre Kühlluft vorwiegend entlang der Pfeile 50 unter Umgehung der Umhüllung 48 erhalten. Die Transformator— Gebläseanordnung wird durch eine Umhüllung 51 umgeben, die in zwei Ausführungen gezeigt ist. An der rechten Seite der Figur weist die Seitenwand 52 der Umhüllung luftschlitzartige Öffnungen 52.1 sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite auf, die als Einlaß und Auslaß für die frische Kühlluft dienen. Auf der linken Seite der Figur 14 ist eine Ausführungsform gezeigt bei der die Umhüllung vollständig abgedichtet ist. Die abgedichtete innere Wand 53 ist mit Wärmeableitkörpern 5^A. an ihrer Innenfläche und Wärmeableitkörpern 5^B an ihrer Außenfläche gezeigt. Die abgedichtete Wand 53 wird durch eine äussere Wand 55 umgeben, die an der Unterseite eingebaute Gebläse 56 und luftschlitzartige Austrittsöffnungen 57 an der Oberseite für die durch das Gebläse 56 angesaugte Luft aufweist. Ein Leitblech 58 mit einem abstehenden Teil 58.1 umgrenzt den Luftstrom entlang dem Wärmeableitkörper 54tA. Der abgedichtete Teil der Umhüllung kann mit Trockenluft oder mit einem besonderen Isoliergas (Freon usw.) gefüllt sein.

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Der Kühlprozess der abgedichteten Ausführungsform besteht aus zwei Zyklen: bei dem inneren Zyklus wird das kalte innere Kühlmittel nach oben entlang den Wärmeableitkörpern 46 bewegt, nimmt die Wärme auf und kehrt zurück zu seinem Ausgangsniveau. Während es durch das Leitblech 58 geführt an dem Wärmeableitkörper 5^A entlangströmt, überträgt es seinen Wärmegehalt auf die Wand 53 durch die Bippen des Wärmeableitkörpers 54tA. Bei dem äußeren Zyklus wird frische Luft von dem Gebläse 56 durch den Kanal geblasen, der durch die Außenwand 55 und die Wand 53 gebildet wird, von der die frische Luft die Wärme über die äußeren Wärmeableitkörper 54B aufnimmt, und verlässt das Aggregat durch die Luftschlitze 57.

Wenn das Gebläse 47 läuft, erhalten alle Wärmeableitkörper 46 beschleunigte Kühlluft von dem Gebläse 47. In dem schmalen Durchgang, der durch den von dem Leitblech abstehenden Teil 58.1 gebildet wird, ruft jedoch die Strahlwirkung des mit hoher Geschwindigkeit entlang den äußeren Wärmeableitkörpern strömen-

den Luftstromes 49.1 einen Druckabfall oberhalb des Durchganges hervor, durch den der äußere Luftstrom entlang dem Pfeil 50 beschleunigt und ein abwärtsgerichteter Strom entlang der Umhüllung 48 verhindert wird.

Wärmeableitkörper können auch an abgedichteten Transformatorumhüllungen oder an allen beliebigen daran angebrachten Teilen, wie z«B. Kühlrohren, Kuhlern u.dgl. verwendet werden, die eine isolierende Flüssigkeit enthalten. Da sich das größte Temperaturgefälle zwischen der Umhüllung und der Kühlluft an den Außenflächen entwickelt, wenn eine Flüssigkeits-Luftkühlung verwendet wird, kann die Anbringung von Wärmeableitkörpern in den meisten Fällen auf die Außenflächen begrenzt werden.

Ein veranschaulichendes Ausführungsbeiapiel ist in Figuren 15 und 16 gezeigt. An den Außenflächen der abgedichteten Umhüllung 59 eines Ilüssigkeitsgekühlten Transformators sind

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Wärmeableitkörper .60 mechanisch angebracht. Um zusätzliche Kühlflächen zu erhalten, sind Kühler 6± an die Umhüllung durch Rohre 62 angeschlossen, die eine Umwälzung der inneren Kühlflüssigkeit durch die Kühler gestatten. Die Warmeableitkörper 63 sind mit den Außenflächen der Kühler durch wärmeleitende Mittel verbunden .

Die Kühlluft bewegt sich in senkrechter Richtung nach oben entlang den Flächen durchratürIiehe Konvektion oder wird durch Gebläse 6k bewegt. Um zu ermöglichen, daß mehr Luft in den Kühlprozess einbezogen wird, um die durchschnittliche Wegstrecke der Luft entlang der Kühlerfläche zu verkürzen und um auch für den oberen Teil der Kühler Frischluft zu erhalten, können die Kühler paarweise vorgesehen sein und geringfügig gegeneinander gekippt sein, so daß sie sich oben näher aneinander befinden, wie es durch die Kühler 61.1 und 61.2 in Figur 15 veranschaulicht ist. Wenn die Ebene der Rippen von den nah aneinander angeordneten Oberseiten des Kühlerpaares hinweg geneigt sind, wie in Figur 15 gezeigt, kann der normalerweise senkrechte Strömungsweg 65 der Kühlluft von der Mittellinie entlang der Strecke 65.1 weiter hinweg abgelenkt werden. Dies führt zu einer erheblichen Verkürzung der ursprünglichen Wegstrecke der Kühlluft von P1-P2 auf P1-P3. ßikippte Anordnungen der Kühler 6i,l und 61.2 sind besonders dann von Vorteil, wenn sie mit wahlweisem Druckluftbetrieb und einem gemeinsamen Gebläse 64 verwendet werden, wie in der Zeichnung dargestellt.

Da das Temperaturgefälle in flüssigkeitsgekühlten Transformatoren auf einan erheblich geringeren Wert begrenzt ist, als bsi Trockenaggregaten gemäß den Transformatornormen, ergibt sich eine verhältnismässig niedrige Wärmeübertragung. Die niedrige Wärmeübertragung gestattet die Verwendung von aus Stahlblechen vorgefertigten Wärmeableitkörpern,, Diese können ans senkrechten Stegen der Kühler angesehweisst werden, beispielsweise durch elektrische Widerstandsschweissung. Da das Blech

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nicht durchgehend ist und ein Lochmuster aufweist, das ähnlich wie das in Figur 1 gezeigte Lochmuster ist, und da die urs'prüngliche Kühlerfläche mit Stegen ausgebildet ist, und weil der größte Teil der Fläche des Wärmeableitbleehes dem Luftstrom an beiden Seiten (z.B. 63.1 und 63.2 in Figur l6) ausgesetzt ist, und zwar praktisch ohne Grenzschichtbxldung, ist der Wirkungsgrad der Wärmeableitung höher als in den vorangehenden Fällen.

Da die Außenflächen der Kühler einander zugewandt sind, wird nur ein sehr geringer Teil der Wärme durch Abstrahlung abgeleitet. Die Wärme wird daher hauptsächlich durch Konvektion abgeleitet. Der durchschnittliche Temperaturunterschied zwischen der Kühlerfläche und der Kühlluft kann auf höchstens 50⁰C angenommen werden, um innerhalb der Grenzen der gegenwärtigen Normen zu bleiben. Das Maß der konvektiven Wärmeableitung an glatten, langen Flächen für das oben genannte Temperaturgefälle beträgt etwa 0,15 W/f. Die Anbringung der Wärmeableitkörper gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, das Maß der Konvektiven Wärmeableitung um das Drei- bis Vierfache auf Werte von 0,45 ois 0,60 W/f zu erhöhen (bezogen auf die Grundfläche, die durch die Form des Kühlers gebildet wird), was auf dem hohen Wirkungsgrad des Wärmeableitkörpers bei dieser Anordnung beruht. Infolgedessen sind bei Verwendung von Wärmeableitkörpern nur ein Drittel bis ein Viertel der gegenwärtig verwendeten Kühler erforderlich. Da die Rippen und ebenen Flächen der Wärmeableitkörper eine praktisch grenzschichtfreie Fläche für die Druckluftkühlung bilden, kann außerdem die durch die Erfindung verringerte Kühlerreihe viermal soviel Wärme bei Druckluftkühlung ableiten, wie bei Konvek ti ons kühlung. Mit den gegenwärtig verwendeten großen Kühlerreihen kann mit Druckluftkühlung nicht mehr als eine 2- bis 2,3-faehe Erhöhung erzielt werden. Daher können die Bruekluft-kVA-Hfennleistungen der flüssigkeitsgekühlten Transformatoren auch erheblieh erhöht werden.

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Claims

Patentanmeldung; "Transformator mit Wärmeableitkörper"

PATENTANSPRÜCHE

I ±.JTransformator mit mindestens einem aktiven Teil, in dem durch elektrische nnd magnetische Energieverluste Wärme erzeugt wird, und der eine innere Struktur mit einem Grad der Wärmeleitfähigkeit zur Ableitung der Wärme von der Stelle ihrer Erzeugung zu einer Ableitungsfläche aufweist, gekennzeichnet durch Wärmeableiteinrichtungen, die einen Bereich bilden, den sie einnehmen und eine Orientierungsachse aufweisen, und die mindestens ein Blech aus einem Stoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wärmeleitfähige Mittel, die das Blech mit der Wärmeübertragungsfläche verbinden,und eine Vielzahl von Kühlrippen aufweisen, die jeweils in gutem Wärmeleitverhältnis zu dem Blech stehen und eine Hauptfläche aufweisen, die im wesentlichen parallel zu der Orientierungsachse verläuft und eine Abmessung in der Richtung dieser Achse hat, die geringer ist, als ein Viertel der Abmessung des von der Wärmeableiteinrichtung eingenommenen Bereiches, gemessen in der gleichen Richtung.

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Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

β M0NCHEN.2, THERESIENSTRASSE 33 · Telefon! 281202 · Telegrammadresse! LipafIi/München Bayer. Vereinsbank Mönchen, Zweigst. Oskar-von-Miller-Ring, Kto.-Nr. 882495 · Postscheck-Konto: München Nr. 1Ö3397

OPPeHaUBrBOrOtPATENTANWALTDR₁ItEINHOtDSCHMIDT

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2. Transformator nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine unterteilung des von der Wärmeableiteinrichtung eingenommenen Bereiches entlang der Orientierungsachse in mindestens· zwei Zonen mehrere Zonen gebildet werden, deren Begrenzungslinien im wesentlichen rechtwinklig zu der Orientierungsachse verlaufen, und daß die Vielzahl der Rippen in mindestens einer dieser Zonen angeordnet ist und jede Rippe im wesentlichen rechtwinklig zu der ihr am nächsten gelegenen Fläche des Bleches verläuft.
3· Transformator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Wärmeableiteinrichtung einen Verlängerungsteil aufweist, der über mindestens eine Größenordnung des aktiven Teiles, das mit der Wärmeableiteinrichtung verbunden ist, hinaus verläuft. '
k. Transformator nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Wärmeableiteinrichtung als eine innere Schicht in dem aktiven Teil angeordnet ist und mit ihrer rippenlosen Fläche mechanisch mit den Innenflächen des aktiven Teiles verbunden ist.
5. Transformator nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Wärmeableiteinrichtungen, bei. denen mindestens ein Verlängerungsteil mindestens eines Wärmeableitbleches aus Streifen besteht, die längere Umfangslinien im wesentlichen entlang bestimmter Strecken der Wärmeströmung und einen vergrösserten Abstand zwischen diesen Umfangslinien aufweisen.
6. Transformator nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenanordnung entlang mindestens einer ümfangslinie des aktiven Teiles angeordnet ist.
7· Transformator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen im wesentlichen rechteckige Form mit zwei im wesentlichen parallelen längeren umfangslinien haben, und daß zwischen

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dem flachen Teil der Rippen und dem Hauptkörper des Bleches eine verhältnismässig, kurze schraubenförmig verdrehte Übergangsfläche ausgebildet ist.
8. Transformator nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß entlang den Rändern einer rippenlosen Zone innerhalb dieser Zone Sichtschlitze ausgebildet sind.
9· Transformator nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeableiteinrichtungen mindestens zwei Wärmeableitbleche umfassen, die über der gleichen Wärmeübertragungsfläche eines aktiven Teiles angeordnet sind.
10. Transformator nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeableitbleche mindestens eine vorgefertigte Verlängerungsfläche mit Rippen und einen rippenlosen Teil für die mechanische Verbindung mit der Wärmeübertragungsflache des aktiven Teiles aufweisen, wobei die Abmessungen des rippenlosen Teiles nahe an den Abmessungen der berührenden Wärmeübertragungsfläche des aktiven Teiles liegen.
11. Transformator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen der Verlängerungsteile bei jedem Wärmeableitblech

in getrennten Zonen angeordnet sind. .
12. Transformator nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Wärmeableiteinrichtungen, die mindestens zwei Wärmeableitbleche umfassen, die jeweils mechanisch an einer von zwei sich gegenüberliegenden Flächen eines Kühlkanals angebracht sind, der mindestens einen der aktiven Teile durchdringt, und daß von beiden Blechen Rippen in den Kanal abstehen, die einem Kühlmittelstrom ausgesetzt sind}- der durch den Kanal strömt«

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13. Transformator nach Anspruch 2_S dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeableiteinrichtüng mit mindestens einer Schicht
der gleichen Wicklung mechanisch verbunden ist und daß der Wärmeableitkörper an den Berührungsflächen elektrisch mit der normalen Schichtisolierung isoliert ist.
Ik. Transformator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeableiteinrichtüng elektrisch mit einer Stelle der Wicklung verbunden ist, an der die durch induktive Spannungsverteilung erzeugte Spannung nahe an dem Spannungspegel der
Wärmeableiteinrichtüng liegt, der durch kapazitive Spannungsverteilung erzeugt wird, wodurch die Wärmeableiteinrichtüng eine sekundäre Rolle als Abschirmung gegen Spannungsstösse spielt und dadurch hochfrequente Schwankungen an der Wicklung infolge einer plötzlichen Spannungsänderung verhindert
15. Transformator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeableiteinrichtüng zwischen zwei verschiedenen Wicklungen angeordnet ist und eine feste elektrische Isolierung für die erforderlichen Meßspannungen an beiden Seiten der Wärmeableiteinrichtüng aufweist und an Erde geschlossen ist, wodurch sie eine sekundäre Rolle als Erdabschirmung spielt.
16. Transformator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Wärmeableitbleche zwischen zwei benachbarten Wicklungen angeordnet sind, wobei jedes Wärmeableitblech mit der normalen Schichtisolierung elektrisch von der näher gelegenen Wicklung isoliert ist und eine feste Isolierung zwischen zwei Blechen aufweist, um die volle Meßspannung auszuhalten, die
zwischen den beiden Wicklungen erforderlich ist,
17. Transformator nach Anspruch 2, dadurch gekennaeichnet,

daß eine Wärmeableiteinrichtüng verwendet wird, die aus mindestens zwei Wärmeableitblechen besteht, die in engem mechanischen Kontakt miteinander stehen^ und daß eine elektrische Isolierung zwischen

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den Wärraeableitbleehen angebracht ist, um den Strom von durch Streufluß erzeugten Wirbe!strömen zwischen den Blechen zu verhindern.
18. Transformator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dau mindestens ein Wärmeableifblech getrennte Kanäle im wesentlichen entlang bestimmten Strecken der Wärmeströmung aufweist, um die Strömung von Wirbelströmen in dem Blech zu verhindern, die durch Streufluß erzeugt werden, der das Blech durchdringt.
19. Transformator nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine umgehungsfreie Umhüllung, die mit dem Venturigehäuse mindestens eines Gebläses verbunden ist.
20. Transformator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeableiteinrichtungen mit mindestens einer Seite einer Transformatorumhüllung mechanisch verbunden sind.
21. Transformator nach Anspruch 20, mit einer abgedichteten Umhüllung, die ein inneres Kühl- und Isoliermittel enthält, das entlang den aktiven Teilen des Transformators und den Innenflächen der Umhüllung umgewälzt wird, und bei dem ein ausseres Kühlmittel entlang den äusseren Kühlflächen der Umhüllung strömen kann, dadurch gekennzeichnet, daß Wärmeableiteinrichtungen an mindestens einer der äusseren Kühlflächen der abgedichteten Umhüllung angebracht sind.
22. Transformator nach Anspruch 21, bei dem die abgedichtete Umhüllung durch Kühler erweitert ist, dadurch gekennzeichnet, daß Wärmeableiteinrichtungen durch wärmeleitfähige Mittel an der Außenfläche der Kühler angebracht sind.
23. Transformator nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebenen der Rippen auf den Wärmeableiteinrichtungen von den Mittellinien der Kühler schräg hinwegverlaufen.

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24. Transformator nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühler paarweise mit ihrer Oberseite aufeinander zu gekippt sind und daß die Ebenen der Rippen in einer Richtung gekippt sind, die der Kipprichtung der Kühler entgegengesetzt ist.
25· Transformator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabieitbleehe im wesentlichen rechteckige Rippen aufweisen, die von ein und derselben Seite des Bleches im wesentlichen rechtwinklig abstehen, daß die Rippen mit einer Seite ihrer Reehtecksform in der Ebene des Bleches verbleiben und in mindestens einer Zone angeordnet sind, die zwei in entgegengesetzter Richtung ausgerichtete Reihen enthält, wobei die Rippen der einen Reihe ihre Stanzlöcher auf ihrer linken Seite und die Rippen der anderen Reihe ihre Stanzlöcher auf ihrer rechten Seite haben.
26. Transformator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Isolierschichten mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit vorgesehen sind, die feine Körner eines festen Isolierstoffes mit hoher Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die in dem Grundmaterial der Isolierschichten eingebettet sind.
27. Transformator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rigpe ein verhältnismässig kleiner Abschnitt eines Verlängerungsteiles ist und die längeren Umfangslinien jeder Rippe im wesentlichen rechtwinklig zu der Orientierungsachse verlaufen. '
28. Verfahren zur Herstellung einer hohlraumfreien, wärmeleitenden Imprägnierung, die in Transformatorwicklungen angebracht werden soll, um das innere Temperaturgefälle der Wicklung zu verringern, die mit wirkungsvollen Mitteln zur Verringerung des äusseren Temperaturgefälles und zur wesentlichen Erhöhung der Wärmeströmung unter Verwendung von Wärraeableitkörpern gemäß Anspruch 2 ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, daß sehr feine Körner verschiedener Größe eines elektrisch isolie-

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renden Stoffes mit guter Wärmeleitfähigkeit mit einem vorübergehenden flüssigen Bindemittel gemischt werden, um eine pastenartige Mischung zu erhalten, die auf jede Schicht der Wicklung aufgetragen wird, um die unteren Bereiche aufzufüllen und bei dem Wickelvorgang ebene Schichtflächen zu erhalten, daß man die Wicklung im Vakuum trocknet, um das vorübergehende flüssige Bindemittel zu entfernen und dann die Wicklung im Vakuum mit dem endgültigen flüssigen Imprägnierstoff imprägniert.
29. Verfahren zur Herstellung der verdrehten Rippen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Metallblech zwischen die klingen einer Schervorrichtung einführt, die mehrere Schneidklingen mit einem einander gleichen, im wesentlichen rechteckigen Profil und mit einer abgerundeten Kante aufweist, die der Schneidkante der Klinge entgegengesetzt ist, wobei die Klingen auf der unteren und oberen Hälfte der Schervorrichtung parallel zueinander mit im wesentlichen gleichen Abständen und aufeinander ausgerichteten Schneidkanten angeordnet sind, und daß dann die Schervorrichtung geschlossen wird und dadurch der Teil des Metallbleches, der in Berührung mit den Sehneidklingen steht, zunächst in Streifen aufgeschnitten und dann bei einer weiteren Schließbewegung der Schervorrichtung die Streifen durch die Gleitbewegung der abgerundeten Hinterkanten der beiden in derselben Zone, die durch die Streifenbreite entJaig dem Blech gebildet wird, angeordneten Schneidklingen in eine im wesentlichen rechtwinklige Stellung verdreht werden.

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