DE2354980A1 - Kuehleinrichtung fuer ein elektrisches geraet - Google Patents

Description

Kommanditgesellschaft 23 549 ö Q

RITZ MESSWANDLER
G.m.b.H. & Co
Hamburg .

Kühl·einrichtung für ein elektrisches Gerät

Die Erfindung -betrifft eine Kühleinrichtung für ein elektrisches Gerat, beispielsweise Transformator, Drosselspule, Wandler od. dgl,, dessen Aktivteile wie ein aus einem oder mehreren Kernen bestehender magnetischer Kreis und eine aus Hoch- und Niederspannungswicklungen bestehende Spulenanordnung in einem mit flüssigem oder gasförmigem Isoliermittel gefüllten Kessel oder Gehäuse untergebracht sind, der bzw. das gegenüber der Atmosphäre hermetisch abgeschlossen ist, wobei die an den Aktivteilen erzeugte Verlustwärme mittels einer als Verdampfungskühler mit einer verdampfenden Flüssigkeit arbeitenden Kühleinrichtung abgeführt wird.

Eine derartige Kühleinrichtung für einen Transformator oder für eine Drosselspule ist aus der DT-AS 1 089 879 bekannt. Hierbei verdampft die Kühlflüssigkeit bzw. der Wärmeträger im Öl des Transformators und steigt in Form von Dämpfblasen innerhalb von Leitrohren hoch. Durch Öffnungen im Bereich von Trichterrohren am Deckel des Transformators können die Dampfblasen in eine ansteigende Sammelleitung entweichen. Von dort aus gelangen sie in einen Konservator, wo der Dampf vom Öl getrennt und anschließend einem Ölscheider zugeführt, von einem Kompressor angesaugt, verdichtetund einem ?er-

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flüssiger zugeleitet wird. Von hier aus gelangt der flüssige Wärmeträger nach Abgabe seiner Wärme über ein Drosselventil wieder zu den Verdampferdüsen. Es ist ersichtlich, daß der Aufwand für diese bekannte Verdampfungskühleinrichtung beträchtlich ist und daher praktisch nur für große Leistungstransformatoren in Betracht kommt. Nachteilig ist ferner, daß die Verdampfungsflüssigkeit unmittelbar mit dem Isolieröl in Berührung kommt, so daß eine nachträgliche Trennung Dampf/Öl notwendig ist.

Ähnlich liegen die Verhältnisse bei einer anderen bekannten Kühlanordnung für einen Transformator nach dem Verdampfungskühlung sp rinz ip . Der aus Kernen und Jochen bestehende magnetische Kreis und die aus Hoch- und Niederspannungswicklungen sich zusammensetzende Spulenanordnung sind in einem geschlossenen Kessel untergebracht. Die Wand des Kessels wird von einer Mehrzahl von mit Kühlrippen versehenen Kühlrohren durchsetzt. Die Kühlrohre sind übereinander angeordnet und schräg nach unten geneigt, wobei die weiter oben gelegenen Kühlrohre länger sind als die tiefer gelegenen Kühlrohre. Die geschlossenen Kühlrohre sind zum Teil mit einer verdampfenden Flüssigkeit, wie Trichlortrifluorethan (C,Cl^F,) gefüllt. In dem Kessel befindet sich 'ein bestimmter Vorrat einer weiteren Kühlflüssigkeit, beispielsweise perfluorcyclischer Äther (CqF^O). Diese Flüssigkeit wird durch die Verlustwärme in den Aktivteilen des Transformators verdampft. Der Flüssigkeitsdampf kondensiert sich an den Kühlrippen der Kühlrohre, rinnt an diesen Kühlrippen herab und läuft an den betreffenden Kühlrohren entlang, bis er wieder auf den magnetischen Kreis und die Spulen zurücktropft und erneut verdampft wird (DT-AS 1 275 678). Auch diese Verdampfungskühleinrichtung ist sehr aufwendig. Hinzu kommt, daß

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die Verdampfungsflüssigkeit unmittelbar mit den Aktivteilen des Transformators in Berührung gebracht wird.

Dieser letztgenannte Nachteil wird bei einer anderen bekannten Kühleinrichtung zur Kühlung eines elektrischen Gerätes, wie Transformator, Drosselspule, Wandler od. dgl., nach dem Siedeprinzip vermieden. Bei dieser Anordnung wird die Wicklung des Gerätes in ein Gießharz hoher Wärmeleitfähigkeit eingebettet, das die Verlustwärme einer wannenförmigen Vertiefung im Gießharzmantel zuführt, die zur Aufnahme des Kühlmittels dient und die mit einer mit Kühlrippen versehenen Haube abgedeckt ist (DT-OS 2 020 028). Diese Kühleinrichtung ist nur für solche elektrische Geräte kleinerer Leistung, wie Wandler, geeignet, die einen gut wärmeleitenden Gießharzmantel aufweisen, weil die in den Aktivteilen erzeugte Verlustwärme erst den gesamten Gießharzmantel durchdringen muß, bevor sie zu dem Verdampfungskühler gelangt .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine nach dem Ver dampf ungs- oder-Siedeprinzip arbeitende Kühleinrichtung der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß bei geringem Auf wand, insbesondere ohne außerhalb des zu kühlenden elektrischen Gerätes angeordnete Rückkühleinrichtungen, eine hohe Verlustwärmeabführung gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß als Verdampfungskühler ein in sich geschlossenes, teilweise mit Verdampfungsflüssigkeit gefülltes Rohr vorgesehen und innerhalb des Kessels oder Gehäuses so geführt ist, daß der Rohrteil, der die Verdampfungsflüssigkeit enthält oder dem diese selbsttätig zugeführt wird, in der die Verlustwärme

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erzeugenden heißen Zone (Verdampfungszone) angeordnet ist und daß mindestens ein weiterer Rohrteil des in sich geschlossenen Rohrkreislaufes in einer abseits von der Verdampfungszone gelegenen kühleren Zone (Rückkühlζone) vorgesehen ist.

Durch den in sich geschlossenen Kühlkreislauf wird ein Vermischen zwischen Verdampfungsflüssigkeit und zu kühlendem Isoliermittel vermieden. Der Aufwand für die Kühleinrichtung ist gering, da lediglich ein geschlossenes Rohr mit einem Verdampfungs- und einem Rückkühlteil "benötigt wird. Der Rohrkreislauf befindet sich innerhalb des Kessels oder Gehäuses des zu kühlenden elektrischen Gerätes, ist also vor Beschädigungen weitgehend geschützt. Der Wirkungsgrad der Verlustwärmeabführung ist hoch, da der Verdampfungsteil des Rohrkreislaufes unmittelbar mit den die Verlustwärme erzeugenden Aktivteilen des zu kühlenden elektrischen Gerätes in Verbindung steht.

In Weiterbildung der Erfindung ist es von Vorteil, wenn der in der Verdampfungszone vorgesehene Rohrteil oberhalb des in der Rückkühlzone befindlichen Rohrteiles angeordnet ist und wenn zur selbsttätigen Zuführung der Verdampfungsflüssigkeit in die Verdampfungszone die Innenwandungen des Verdampfungsrohres mit saugfähigem Material ausgekleidet sind.

Eine derartige Kühleinrichtung ermöglicht auch einen Wärmetransport von einer höher gelegenen Wärmequelle (Verdampfungszone) zu einer tiefer gelegenen, kühleren Zone (Rückkühlzone).

Ein derartiges Wärmeabführungsproblem ist bei allen elektrischen Leiteranordnungen mit von oben nach unten verlaufenden Isolierungen zu lösen, wie dies bei dem Sekundärwicklungs-

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und Sekundärausleitungssystem von Kopf- und Stützerkopf-Stromwandlern der Fall ist. Mit der Erfindung läßt sich also auch dieses schwierige Kühlproblem auf überraschend einfache Weise lösen. Insbesondere ist es nicht nötig, die Rückkühlzone über der Verdämpfungszone anzuordnen, wie dies bei Ausnutzung des Thermosyphoneffektes erforderlich wäre. Zudem würde eine solche Ausführung eine Verlängerung des Rohrkreislaufes bedingen. :

Wohl ist die Verwendung sogenannter Wärmeleitrohre (heat pipe) mit einem Kapillarsystem an der Innenseite des Rohres bekannt, um das Wärmeleitrohr lageunabhängig verwenden zu können. Als bisherige Anwendungsgebiete dieser Wärmeleitrphre ist die Kühlung von Maschinenteilen, Elektronenröhren, Halbleiterbauelementen großer Leistung u.a. vorgeschlagen worden. Auch ein Einsatz zur Übertragung und zur Abstrahlung von Wärme in WeItraumfahrzeugen ist angeregt worden (Prospekt der BBC AG, Mannheim "Wärmeleitrohr (heat pipe), ein System mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit" VS 1002 (7.69.1.EW)..

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Kühleinrichtung für ein elektrisches Gerät mit einem Ringkern, beispielsweise einen Strom- oder Spannungswandler, wobei das Verdampfungsrohr mit einem seitlichen Fortsatz in die Öffnung des Ringkernes und damit in die Verdampfungszone eingreift.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung eine Kühleinrichtung für einen Kopf— oder Stützerköpf-Stromwandler mit in die Öffnung des Eisenkernes sich nach unten erstreckendem Fortsatz.

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.fr.

Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung eine Kühleinrichtung für einen Kopf- oder Stützerkopf-Stromwandler mit in die Isolierbandage für die Sekundärausleitungen sich nach oben erstreckendem Fortsatz.

Der in Fig. 1 mit 1 bezeichnete Ringkern für einen Wandler, beispielsweise Strom- oder Spannungswandler, begrenzt eine Verdampfungszone 2 für die in einem geschlossenen Rohr 3 enthaltene Verdampfungsflüssigkeit 4. Die weiteren Aktivteile des Wandlers, die Hoch- und Niederspannungswicklungen, sind der Deutlichkeit der Darstellung wegen nicht eingezeichnet worden. Der Ringkern 1 und das Rohr 3 sind von einem geteilten Gehäuse mit den Gehäuseteilen 5, 6 umgeben. Die Gehäuseteile 5, 6 weisen je einen Spalt 7, 8 für die Zu- und Abführung des Isoliermittels, beispielsweise Öl, auf. Das mit der Verdampfungsflüssigkeit 4 zum Teil gefüllte Rohr 3 besitzt einen seitlichen Fortsatz 9, mit dem es in die, die Verdampfungszone 2 darstellende Öffnung des Ringkernes 1 eingreift. Durch die dort entwickelte Verlustwärme wird die Verdampfungsflüssigkeit 4 zum Sieden und zur Zirkulation in Richtung der in das Rohr 3 eingezeichneten Pfeile gebracht. Die siedende Verdampfungsflüssigkeit nimmt also die in der Verdampfungszone 2 befindliche Verlustwärme in Form von Verdampfungswärme auf. Der Dampf strömt zum oberen kühleren Teil 10 des Rohrkreislaufes (Rückkühlζone) und kondensiert dort. Dabei wird die Wärme, die vorher als Verdampfungswärme aufgenommen wurde, als Kondensationswärme wieder abgegeben. Da der obere Teil 10 des Rohrkreislaufes in unmittelbarer Nähe der gut wärmeleitenden Gehäuseteile 5, 6 liegt, ist durch die große Wärmeabstrahlfläche des Gehäuses eine gute Kühlung gewährleistet. Durch die Verdampfungskühlung im Rohr 3 erhält man somit einen sehr schnellen Wärmetransport von der Verdampfungszone 2 zu der Rückkühlzone 10.

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Die Fig. 2 zeigt irr schematischer Darstellung eine Kühleinrichtung für einen Kopf- oder Stützerkopf-Stromwandler, von dem nur die wesentlichen Teile schematisch" dargestellt sind, mit einem im Kopfgehäuse waagrecht angeordneten isolierten Ringkern. Die gleichen Teile sind mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet. Der Ringkern 1 ist im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 waagrecht in dem aus den Teilen 5» 6 zusammengesetzten Gehäuse angeordnet. Der Eisenkern 1 ist von einer zeichnerisch nicht dargestellten Sekundärwicklung umgeben. Darüber ist eine Isolierbandage 11 aufgebracht. Das in sich geschlossene, mit ■Verdampfungsflüssigkeit 4 teilweise gefüllte Rohr 3 weist einen nach unten gerichteten Fortsatz 12 auf, mit dem es in die, die Verdampfungszone 13 darstellende Öffnung des Ringkernes 1 von oben eingreift. Der durch die Yerlustwärme zum Sieden gebrachte Dampf strömt in Pfeilrichtung zu dem oberen kühleren Teil 14 des Rohrkreislaufes (Rückkuhlzone), kondensiert dort und gibt damit die Wärme an die benachbarten Gehäuseteile5, 6 ab. Die in der Rückkühlzone 14 kondensierte Verdampfungsflüssigkeit gelangt infolge der Schwerkraft selbsttätig in die Verdampfungszone 13 zurück. ■

Anders liegen die Verhältnisse, wenn die Verlustwärme bei elektrischen Leiteranordnungen mit von oben nach unten verlaufenden Isolierungen wirksam abgeführt werden muß, wie dies bei dem in Fig. 3 dargestellten Sekundärwicklungs- bzw. Sekundärausleitungssystem von Kopf- oder Stützerkopf-Stromwandlern der Fall ist.

Der dargestellte Kopfstromwandler besitzt in bekannter Weise einen oder mehrere ringförmige Eisenkerne 15, auf denen die zeichnerisch nicht dargestellte Sekundärwicklung mit den zum

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Sockel 16 des Wandlers führenden Sekundärausleitungen gewickelt ist. Der bzw. die Eisenkerne 15 und die Sekundärwicklung sind von einem Kerngehäuse 17 umgeben, das einen axialen Fortsatz 18 aufweist, in dem die Sekundärausleitungen geführt sind. Über dem Kerngehäuse 17, 18 befindet sich eine Isolierbandage 19» die ebenfalls einen dem Verlauf des Kerngehäusefortsatzes 18 entsprechenden Fortsatz 20 aufweist. Die zeichnerisch ebenfalls nicht dargestellte Primärwicklung kann das Fenster 21 der Eisenkerne 15 als stabförmiger Leiter oder in Form mehrerer Windungen durchsetzen. Ein den Wandler umgebendes Isoliermantel- oder Porzellangehäuse ist nur schematisch dargestellt und mit 22 bezeichnet. Als Isoliermedium kann vorzugsweise Isolieröl vorgesehen sein.

Erfindungsgemäß sind in dem vom Kerngehäuse 17 und dessen Fortsatz 18 umschlossenen Raum nicht nur die Sekundärwicklung und deren Ausleitungen enthalten, sondern auch ein nach oben gerichteter Fortsatz 23 des die Verdampfungsflüssigkeit enthaltenen geschlossenen Rohres 24. Das Ende des Rohrfortsatzes 23 umfaßt die sekundärbewickelten Eisenkerne 15 ringförmig und befindet sich damit in der Verdampfungszone 25· Um sicherzustellen , daß die in der Rücldaihlzqne 26 befindliche Verdampfungsflüssigkeit entgegen der Wirkung der Schwerkraft selbsttätig in die Verdampfungszone 25 gelangt, ist der eine Schenkel des in sich geschlossenen Rohres 24 wie bei den bekannten Wärmeleitrohren mit einem saugfähigen Material ausgekleidet, das die Verdampfungsflüssigkeit aus der unten liegenden Rückkühlζone 26 durch Kapillarkräfte in die oben liegende Verdampfungszone 25 befördert. Damit erhält man eine sehr wirksame Abführung der innerhalb des Kerngehäuses 17 und der Isolierbandage 19 erzeugten Verlustwärme. Das Wärmeleitvermögen von Wärmeleitrohren ist bekanntermaßen sehr gut. Es ist bei optimalen Betriebsbedingungen um mehrere

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Größenordnungen besser als das guter Wärmeleiter, wie Kupfer oder Silber. Als Verdampfungsflüssigkeiten eignen sich Alkohole, Äther,.beispielsweise perfluorcyclischer Äther (CgF.,,-0), Ammoniak, Aceton, Benzol und andere. Bei höheren Arbeitstemperaturen kann gegebenenfalls auch Wasser verwendet werden.

Der eine Schenkel des Wärmeleitrohres kann zur Erzeugung der Kapillarkräfte mit einem Docht von kapillarer Struktur, wie saugfähiges Fasermaterial oder eine Gaze aus Metall, ausgekleidet sein.

Die Kühleinrichtung gemäß der Erfindung läßt sich bei elektrischen Geräten der verschiedensten Art verwenden. Neben dem ausführlich erläuterten Gebiet der Meßwandler sind insbesondere Transformatoren und Drosselspulen zu erwähnen.

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Claims (4)

1. 23549S0

   Patentansprüche

   ί 1. ^Kühleinrichtung für ein elektrisches Gerät, beispielsweise ^-—-'Transformator, Drosselspule, Wandler od. dgl., dessen Aktivteile wie ein aus einem oder mehreren Kernen bestehender magnetischer Kreis und eine aus Hoch- und Niederspannungswicklungen bestehende Spulenanordnung in einem mit flüssigem oder gasförmigem Isol.iermittel gefüllten Kessel oder Gehäuse untergebracht sind, der bzw. das gegenüber der Atmosphäre hermetisch abgeschlossen ist, wobei die an den Aktivteilen erzeugte Verlustwärme mittels einer als Verdampfungskühler mit einer verdampfenden Flüssigkeit arbeitenden Kühleinrichtung abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Verdampfungskühler ein in sich geschlossenes, teilweise mit Verdampfungsflüssigkeit (.4) gefülltes Rohr (3, 24) vorgesehen und innerhalb des Kessels oder Gehäuses (5, 6, 22) so geführt ist, daß der Rohrteil (9, 12, 23), der die Verdampfungsflussigke.it (4) enthält oder dem diese selbsttätig zugeführt wird, in der die Verlustwärme erzeugenden heißen Zone (2, 13, 25) (Verdampfungszone) angeordnet ist und daß mindestens ein weiterer Rohrteil des in sich geschlossenen■Rohrkreislaufes in einer abseits von der Verdampfungszone gelegenen kühleren Zone (10, 14» 26) (Rückkühlzone) vorgesehen ist.
2. 2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Verdampfungszone (13) vorgesehene Rohrteil (12) unterhalb des in der Rückkühlzone (14) befindlichen Rohrteiles angeordnet ist.

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3. 3. Kühl einrichtlang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Verdampfungszone (2) vorgesehene Rohrteil (9) unterhalb und seitlich versetzt, zu dem in der Rück-

   ' kühlzone (10) befindlichen Rohrteil angeordnet ist.
4. 4. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,, daß der in der Yerdampfungszone (25) vorgesehene Rohrteil (23) oberhalb des in der Rückkühlzone (26) befindlichen Rohrteiles angeordnet ist und daß zur selbsttätigen Zuführung der Verdampfungsflüssigkeit (4) in die Yerdampfungszone (25) die Innenwandungen des Verdampf ungsrohres (24) mit saugfähigem Material ausgekleidet sind.

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