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FlUssigkeitsgekühlter Widerstand
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Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Widerstand mit
einem Widerstandskörper, der in einem rohrförmigen, mit einem Strömungskanal für
die Kühlflüssigkeit versehenen Gehäuse angeordnet ist.
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Ein solcher flüssigkeitsgekühlter Widerstand ist aus der DT-PS 687
083 bekannt. Dort ist ein flüssigkeitsgekühlter Widerstand beschrieben, bei dem
als Strömungsweg im Gehäuse eine zylinderförmige Öffnung angeordnet ist, in der
als Widerstandskörper ein Isolator angeordnet ist, auf den ein Widerstandsdraht
aufgewickelt ist. Die Kühlflüssigkeit durchströmt bei dieser Ausführungsform den
Strömungskanal geradlinig in Richtung der Längsachse des Widerstandskörpers und
umspült dabei den Widerstandsdraht. Das rohrförmige Gehäuse ist aus isolierendem
Material gefertigt und außerdem sind als Zu- und Ableitungen für die Kühlflüssigkeit
wendelförmige Kanäle in Isolatoren untergebracht, um einen langen, isolierenden
Zu- bzw. Ableitungsweg für die Kühlflüssigkeit zu erhalten. Mit diesem flüssigkeitsgekühlten
Widerstand wird eine intensive Kühlung nur dann erreicht, wenn die Kühlflüssigkeit
den Widerstandsdraht direkt umspült. Bei Widerständen für hohe Spannungen, bei denen
das Widerstandsmaterial, beispielsweise ein Widerstandsdraht, von einer isolierenden,
thermisch leitenden Materialschicht abgedeckt ist, erhält man mit dieser bekannten
Flüssigkeitskühlung nur eine geringfügige Verbesserung der Wärmeabfuhr bzw. nur
eine geringfügige Leistungsverbesserung, die den hohen Aufwand nicht rechtfertigt.
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Im Handel erhältlich sind sogenannte Gehäusewiderstände, bei denen
der Widerstandskörper elektrisch isoliert und thermisch leitend in einem Gehäuse
aus elektrisch isolierendem Material angeordnet ist, wobei die Wärme über das den
Widerstandskörper
eng umgebende Gehäuse und teilweise über die das
Gehäuse tragende Auflagefläche an die Umgebungsluft abgegeben wird. Mit dieser für
hohe Spannungen geeigneten, luftgekühlten, sehr kostengünstigen Ausführungsform
erhält man eine Kühlung, bei der die gesamte Verlustwärme an die Umgebung abgegeben
wird. Außerdem beansprucht der Widerstand ein großes Bauvolumen, da das Gehäuse
als Kühlkörper für Luftkühlung ausgebildet sein muß.
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Es besteht die Aufgabe, einen flüssigkeitsgekühlten Widerstand der
eingangs genannten Art so auszugestalten, daß Widerstände für hohe Spannungen mit
relativ hoher Leistung in einem kleinen Volumen realisierbar sind und daß nur wenig
Verlustwärme an die Umgebung abgegeben wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Widerstandskörper
elektrisch isoliert und thermisch leitend mit dem Gehäuse verbunden ist, daß das
Gehäuse aus wärmeleitendem Material gefertigt ist und daß der Strömungskanal im
Gehäuse wendelartig um den Widerstandskörper geführt ist. Mit dieser Ausführungsform
erhält man eine unmittelbare und intensive Kühlung durch die Kühlflüssigkeit, wobei
der Widerstand für hohe Spannungen geeignet bleibt, da der Widerstandskörper von
isolierendem Material umgeben ist. Bei gleicher Widerstandsgröße und gleicher Temperatur
des Widerstandsmaterials, beispielsweise gleicher Drahttemperatur, läßt sich damit
der Widerstand wesentlich höher belasten und die Aufheizung der Umgebung ist praktisch
völlig vermieden.
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Vorteilhaft ist es, den wendelartigen Strömungskanal mit einem Rohr
aus wärmeleitendem Material zu bilden, das vom Material des Gehäuses umgossen ist.
Diese Ausführungsform ist für die Serienfertigung geeignet. Dabei kann das Rohr
aus Stahl oder Kupfer gefertigt sein, wobei mit Stahl die Verwendung von hochreinem
Wasser als Kühlflüssigkeit ermöglicht wird. Das Gehäuse kann aus Aluminiumguß hergestellt
sein, womit das Eingießen bzw.
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Einbetten des wendelartig geformten Rohres in einfacher Weise ermöglicht
wird.
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In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform besteht das Gehäuse
aus zwei konzentrischen, mit Paßsitz ineinandergeschobenen Rohren und die Innenfläche
des äußeren Rohres oder die Außenfläche des inneren Rohres ist mit einer wendelförmigen
Nut als Strömungskanal versehen. Auch diese Ausführungsform ist für die Serienfertigung
geeignet. Beide Rohre können aus Stahl gefertigt sein und wenigstens die Rohrenden
sind abgedichtet, beispielsweise miteinander verklebt, was die Fertigung weiterhin
vereinfacht.
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Im folgenden wird der erfindungsgemäße flüssigkeitsgekühlte Widerstand
beispielhaft anhand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert.
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In den Figuren sind zwei Ausführungsbeispiele dargestellt. Dabei sind
gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Figur 1a zeigt den Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Widerstand.
In Figur 1b ist ein Schnitt längs der Linie Ib-Ib der Figur la dargestellt. In den
Figuren ia und ib ist ein schematisch gezeigter Widerstandskörper 1 in einem rohrförmigen
Gehäuse 2 angeordnet. Der Widerstandskörper 1 kann beispielsweise ein mit Widerstandsdraht
bewickelter Isolierkörper sein. Der Raum zwischen Widerstandskörper 1 und Gehäuse
2 ist mit einer elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Masse 3, beispielsweise
mit einem Kunststoff dicht ausgefüllt. Im Gehäuse 2 ist ein wendelartig geformter
Strömungskanal 4 angeordnet, der den Widerstandskörper 1 umgibt und einen Zufluß
4a und einen Abfluß 4b besitzt. Im Ausführungsbeispiel sind der Strömungskanal 4
und die Zu- und Abflüsse 4a und 4b mit einem Rohr 4c realisiert, das wendelförmig
gebogen ist. Das wendelförmig gebogene Rohr 4c ist in das Material eingebettet,
aus dem das Gehäuse 2 gefertigt ist bzw. von diesem umgossen. Bei einem Rohr 4c
aus Metall, beispielsweise rostfreiem Stahl, Aluminium oder Kupfer, kann das Gehäuse
2 vorzugsweise aus Aluminiumguß hergestellt sein, womit man einen geringen Wärmewiderstand
erhält. Damit ist das Gehäuse 2 nach Figur 1 für die Serienfertigung geeignet und
es resultiert ein Gehäuse mit sehr guten Wärmeableiteigenschaften.
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In den Figuren 2a und 2b sind zwei Schnitte durch ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Gehäuses 2 für einen erfindungsgemäßen Kühlkörper dargestellt. Dabei ist der
Widerstandskörper 1 nicht eingezeichnet, um die Ubersichtlichkeit zu wahren. Das
Gehäuse 2 nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2a und 2b ist aus zwei Rohren
2a und 2b aufgebaut, die konzentrisch sind und mit Paßsitz übereinandergeschoben
sind. Der wendelartig geformte Kühlkanal 4 ist mit einer Nut 4d realisiert, die
beim Ausführungsbeispiel in der Außenfläche des innenliegenden Rohres 2a angeordnet
ist. In Abweichung zum Ausführungsbeispiel kann die wendelartig verlaufende Nut
4d auch in der Innenfläche des äußeren Rohres 2b angeordnet sein. Weiterhin kann
im Bereich der wendelförmigen Nut 4d ein Spalt zwischen den beiden Rohren 2a und
2b vorhanden sein, um Spaltkorrosion zu vermeiden, die beispielsweise bei Stahlrohren
auftreten kann. Über zwei Durchbrüche im äußeren Rohr 2b sind Stutzen 4a und 4c
als Zu- bzw. Abfluß mit der Nut 4 verbunden. Zu- und Abflußstutzen 4a und 4b können
beispielsweise mit dem Rohr 2b verklebt sein. Zur Verbindung der Rohre 2a und 2b
und zur Abdichtung des Strömungskanales 4 können die beiden Rohre miteinander verklebt
sein. Hierzu ist es ausreichend, in der Stirnfläche der Rohre miteinanderfluchtende
Ringnuten 2c vorzusehen, die mit einem Klebstoff 5 gefüllt sind. Als Klebstoff 5
kann ein Kleber benutzt werden, wie er unter dem Namen Loctite 74 im Handel erhältlich
ist.
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Als Material für die Rohre 2a und 2b kann jedes Metall, vorzugsweise
Aluminium, Kupfer oder rostfreier Stahl eingesetzt werden. Die Figuren 2c bis 2e
zeigen den vergrößerten Ausschnitt 6 der Figur 2a. In diesen Figuren sind günstige
Querschnitte der Nut 4d angegeben. Diese Querschnitte lassen sich fertigungstechnisch
ohne besonderen Aufwand realisieren. Damit erhält man auch mit dem Ausführungsbeispiel
nach den Figuren 2 eine Ausführungsform, die bei guter Wärmeableiteigenschaft ohne
Aufwand billig zu fertigen und damit ebenfalls für die Serienfertigung geeignet
ist.
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Mit den in den Figuren 1 und 2 dargestellten Gehäusen werden auch
bei kleinen Kühlmittelgeschwindigkeiten große WärmeUbergangskoeffizienten
und
damit eine sehr intensive Kühlung erreicht. Figur 3 zeigt in einem Diagramm Messungenoan
einem handelsüblichen Drahtwiderstand. In der Figur ist die Drahttemperatur f0CJüber
der Leistung Prva aufgezeichnet. Dabei entspricht die Kurve 7 einem handelsüblichen,
luftgekühlten Gehäusewiderstand für Isolierspannungen bis 5 kV und einer maximalen
Leistung bis 300 W. Kurve 8 zeigt Messungen am gleichen Widerstand, der erfindungsgemäß
als flüssigkeitsgekühlter Widerstand gemäß Figur 1 ausgebildet ist. Der Vergleich
ergibt eine Leistungserhöhung bei gleicher Drahttemperatur von 2750C um mehr als
150 % von 250 W auf 650 W.
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3 Figuren 8 Patentansprüche
L e e r s e i t e