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Flüssigkeitsgekühlter Widerstand
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Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekUhlten Widerstand, der
aus einem Hohlkörper, in dessen Innenraum ein spindelförmiger Körper angeordnet
ist, besteht, wobei eine Widerstandsschicht elektrisch isoliert und thermisch leitend
auf einem der beiden Körper aufgebracht ist, wobei durch den Zwischenraum zwischen
dem Hohlkörper und dem spindelförmigen Körper ein Flüssigkeitskanal für ein Kühlmittel
gebildet ist, und am unteren Ende des Hohlkörpers ein Kühlmittelzufluß und am oberen
Ende des Hohlkörpers ein Kühlmittelabfluß in den Flüssigkeitskanal mündet.
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Ein solcher flüssigkeitsgekühlter Widerstand ist aus der DE-PS 687
083 bekannt. Der dort beschriebene flüssigkeitsgekühlte Widerstand besteht aus einem
zylindrischen Gehäuse als Hohlkörper und einem in ihm konzentrisch angeordneten
spindelförmigen Körper, auf den ein Widerstandsdraht aufgewickelt ist. Zwischen
beiden Körpern befindet sich der von Kühlflüssigkeit durchströmte
Flüssigkeitskanal,
der unten und oben von Armaturen für den Kühlmittelzufluß und -abfluß abgeschlossen
ist.
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Der Widerstand kann durch diese intensive Kühlung einer wesentlich
höheren Belastung auch im Dauerbetrieb ausgesetzt werden. Bei zeitlich begrenztem
Ausfall des Kühlmittelzuflusses kann die vom Widerstand erzeugte Wärme jedoch nicht
mehr aus der bekannten Anordnung abgeführt werden, so daß es zur Aufheizung des
verbliebenen Kühlmittels und des Widerstandsdrahtes und damit zu dessen Zerstörung
kommen kann. Die Aufheizung und die damit verbundenen wirtschaftlichen Nachteile
können in der bekannten Anordnung nicht verhindert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen flüssigkeitsgekühlten
Widerstand der eingangs genannten Art so auszubilden, daß er bei Ausfall des Kühlmittelzuflusses
für eine kurze Zeitdauer zuverlässig gekühlt wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der spindelförmige
Körper einen einseitig abgeschlossenen Hohlraum aufweist, daß sich das abgeschlossene
Ende des Hohlraums am Kühlmittelabfluß befindet, und daß sich ein gasleitendes und
weitgehend flüssigkeitsdichtes Ventil am abgeschlossenen Ende des Hohlraumes befindet.
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Die erfindungsgemäße Ausführungsform weist mit dem Hohlraum in dem
spindelförmigen Körper einen Stauraum für die Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser,
auf, der bei störungsbeiem Betrieb vollständig gefüllt ist. Da der spindelförmige
Körper den größten Teil des Innenraumes des Hohlkörpers einnimmt, weist der Stauraum
ein grobes Volumen zur Speicllerung von Kiihlflüssigkeit auf.
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Dadurch wird die Wärmekapazität des elektrischen Wider-
standos
bedeutend erh(Sht, ,o daß sich der Widerstand bei Ausfall des Kühlmittelzuflusses
langsamer aufheizt.
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Bei Ausfall des Kühlmittelzuflusses wird die Viderstandsschicht aufgeheizt.
Bei einsetzender Verdampfung steigt der im Flüssigkeitskanal entstehende Dampf in
den oberen Teil des Flüssigkeitskanals und gelangt in den Raum fLir den Kühlmittelabfluß.
Der Dampf durchsetzt das gasleitende Ventil und dringt in den Hohlraum des spindelförmigen
Körpers ein. Zwischen den Gasräumen beiderseits des Ventils findet ein Druckausgleich
statt, der zur Niveaugleichheit der Kühlflüssigkeit im Hohlraum und im Flüssigkeitskanal
fiihrt, da die beiden Flüssigkeitsräume kmmunizierende Gefäße sind. Solange das
fll$:ssigkeitsniveau über dem oberen Ende oder etwa in Höhe des oberen Endes der
Widerstandsschicht liegt, ist deren Kiihlllng ohne Kiihlmittelzufuhr gewährleistet.
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Das Ventil am oben Ende des Hohlraums ist weitgehend flüssigkeitsdicht,
damit bei störungsreiem Betrieb keine Kühlflüssigkeit durch das obere Ende des Hohlraums
im spindelförmigen Körper strömt und somit im Flüssigkeitskanal eine maximale Strömungsgeschwindigkeit
und damit maximaler Kühlmitteldurchsatz herrscht.
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Vorteilhaft ist t es, das gasleitende und fliissigkeitsdichte Ventil
als Durchbruch mit kleinem Durchmesser auszubilden. Eine solche Bohrung stellt bei
der Herstellung des spindelförmigen Körpers einen geringen fertigungstecnnischen
Aufwand dar. Zur Erreichung der gasleitenden und weitgehend flüssigkeitsdichten
Ventileigenschaft ist ein geringer Durchmesser des Durchbruchs erforderlich. Der
an dem Durchbruch auftretende Druckabfall verhindert weitgehend das Durchströmen
von Kühlflüssigkeit. Ebenso ist ein Ventil vorteilhaft, das aus einem Durchbruch
durch das obere Ende des Hohlraums
im spindelförmigen Körper und
einem Schwimmer besteht.
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Der Schwimmer verhindert zuverlässig das Durchströmen von Kühlflüssigkeit
durch das Ventil. Dieses Ventil ist mit einfachen Mitteln herstellbar.
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Vorteilhaft ist es, den spindelförmigen Körper aus einem Material
von hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise wie von Metallen, herzustellen. Die
Kühlflüssigkeit im Flüssigkeitskanal wird weniger stark erwärmt, da ein Teil der
Wärme von dem spindelförmigen Körper zu der Kühlflüssigkeit in seinem Hohlraum geleitet
wird. Falls sich die Widerstandsschicht auf dem spindelförmigen Körper befindet,
leitet dieser einen Teil der Wärme direkt zu der Kühlflüssigkeit in seinem Hohlraum.
Der gut wärmeleitende spindelförmige Körper ermöglicht damit die bessere Ausnutzung
des im Hohlraum gespeicherten Kühlmittels. Bei Ausfall des Kühlmittelzuflusses kann
der spindelförmige Körper die die verstärkte Aufheizung der Kühlflüssigkeit im Fliissigkeitskanal
verursachende Wärmemenge schneller dem Speicher im spindelförmigen Körper zuführen.
Durch die hohe Wärmekapazität der gespeicherten Kühlflüssigkeit kann das Verdampfen
der Kühlflüssigkeit im Flüssigkeitskanal verzögert werden.
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Vorteilhaft ist es, daß die Länge der Widerstandsschicht kürzer als
de Höhe des Hohlkörpers oder des spindelförmigen Körpers ist und am Kühlmittelzufluß
beginnt.
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Die Kühlung der Widerstandsschicht ist bei Ausfall des Kühlmittelzuflusses
gewährleistet, wenn das Niveau der Kühlflüssigkeit über dem oberen Ende oder etwa
in Höhe des oberen Endes der Widerstandsschicht liegt. Eine Verkürzung der Widerstandsschicht
ist günstig, weil mehr Kühlflüssigkeit verdampfen und ein größerer Gasraum entstehen
kann, bis das Niveau der Kühlflüsggkeit auf die Höhe des oberen Endes der Widerstsndsschicht
abgesunken
ist. Folglich wird die kiirzere Widerstandsschicht vom Flüssigkeitsspiegel später
erreicht, wodurch eine längere Ausfa' 1 zeit des Kühlmittelzuflusses überbrückt
wird.
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Im folgenden wird der erfindungsgemäße flüssigkeitsgekühlte Widerstand
beispielhaft anhand der Figur näher erläutert.
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Die Figur zeigt einen Längs schnitt durch den erfindungsgemäßen flüssi
gkeitsgekühltzen Widerstand, der im Betriebszustand senkrecht stehend angeordnet
ist. Auf einem zylindrischen Hohlkörper 1 cJ5 einem thermisch gut leitenden Isolierstoff,
beispielsweise Keramik, ist eine Widerstandsschicht 2, die beisielsweise aus einem
aufgewickelten Widerstandsdraht besteht, aufgebracht. Im Innenraum des Hohlkörpers
1 ist ein spindelförmiger Körper 3 konzentrisch zum Hohlkörper 1 angeordnet. Am
unteren Ende des Hohlkörpers 1 ist eine Armatur 4 für den Kühlmittelzufluß und am
oberen Ende des. Hohlkörpers 1 ist eine Armatur 5 für den Kühlmittelabfluß flüssigkeitsdicht
angebracht. Die Armaturen 4 und 5 werden durch einen Spannverbanä 6 auf die Enden
des Hohlkörpers 1 gedriickt. Die Dichtung erfolgt durch Dichtungsringe 7, die auf
den Stirnflacherl des Hohlkörpers 1 aufsitzen.
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Der spindelförmige Körper 3 besitzt einen zylinderförmigen Hohlraum
8, der an seinem oberen Ende abgeschlossen ist. Der spindelförmige Körper 3 steht
auf der Armatur 4.
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Der Raum 9 in der Armatur 4 für den Kühlmittelzufluß mündet in den
Hohlraum 8. Der obere Teil des spindelförmigen Körpers 3 weist eine Verjüngung und
einen daran anschließenden zylindrischen Teil von geringerem Durchmesser auf. Der
obere Teil des spindelförmigen Körpers 3 ragt in den Raum 10 der Armatur 5 fiir
den Kiihlmittelabfluß. Der Hohlraum 8 ist an seinem oberen
Ende
durch ein gasleitendes und weitgehend flüssigkeitsdichtes Ventil 11 abgeschlossen.
Der Raum zwischen der Innenfläche 12 des Hohlkörpers 1 und der Außenfläche 13 des
spindelförmigen Körpers 3 bildet den Flüssigkeitskanal 14 für das durchströmende
Kühlmittel.
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Durch die auf der Außenfläche 13 der Spindel 3 sttalartig umlaufende
und an der Inr.enflache 12 des Hohlkörpers 1 anliegende Erhebung 15 verläuft der
Flüssigkeitskanal 14 wendelförmig. Dadurch strömt die Kühlflüssigkeit mit wirbelartiger
3eweglmg an der zu kühlenden Fläche 12 entlang und reii3t dort etwa vorhandene Gasblasen
mit. Blasenbildung und damit die Entstehung überhitzter Stellen a der zu kühlenden
Fläche wird vermieden. Zur Vergrößerung des Querschnitts des Flüssigkeitskanals
14 läuft auf der Außenfläche 13 des spindelförmigen Körpers 3 parallel zur Erhebung
15 im Abstand eines halben Gangunterschiedes eine muldenartige Vertiefung 16 um.
Im unteren Teil des spindelförmigen Körpers 3 befindet sich ein Durchbruch 17, der
den Flüssigkeitskanal 14 mit dem Raum 9 für den Kühlmittelzufluß verbindet. Der
Fliissigkeitskanal 14 mündet in den Raum 10 für den K-ihlmittelabflu6.
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Das über den Stutzen 18 der Armatur 4 einfließende Kühlmittel, beispielsweise
Wasser, strömt nach Auffüllen des Raumes 9 in der Armatur 4 in den Hohlraum 8 und
gleichzeitig durch den Durchbruch 17 in den Flüssigkeitskanal 14. Der Hohlraum 8
und der Flüssigkeitskanal 14 sind kommunizierende Gefäße. Beim Auffüllen des Hohlraumes
8 mit Kühlflüssigkeit entweicht die verdrängte Luft durch das Ventil 11. Nach vollständiger
Füllung des Hohlraumes 8 mit Kühlflüssigkeit kann die Spindel durch den Druck der
von unten nachströmenden Flüssigkeit auf die Flüssigkeitssäule im Hohlraum 8 angehoben
und gegen die Armatur 5 gedruckt
werden, wodurch das Ventil 11
gegen die Fläche 24 in der Armatur 5 gedrückt wird und der Hohlraum 8 flüssigkeitsdicht
abgeschlossen wird. Etwa vorhandene Gasblasen im Hohlraum 8 können durch kurzzeitiges
Absinken der Spindel 3 aus dem Hohlraum 8 entweichen. ich vollständiger Füllung
des Hohlraumes 8 und des Flüssigkeitskanals 14 fiieijt 'e Kühlflüssigkeit durch
den Raum 10 in der Armatur 5 über den Kühlmittelabflußstutzen 19 ab. Zwischen dem
oberen Rand des spindelförmigen Körpers 3 und der ihm gegenüberliegenden Fläche
24 in der Armatur 5 ist ein Zwischenraum vorhanden. Das Ventil 11 ist eine Bohrung
von geringem Durchmesser. Die enge Bohrung 11 ist so bemessen, daß das anfangs durchströmende
Kühlmittel in ihr einen viel größeren Druckabfall erzeugt als in Flüssigkeitskanal
14. Dadurch strömt die Kühlflüssigkeit fast nur durch den Flüssigkeitskanal 14 und
kühlt bei störungsfreiem Betrieb den den Widerstandskörper bildenden Hohlkörper
1 mit der Widerstandsschicht 2. Bei störungsfreiem Betrieb ist die Flüssigkeitsströmung
parallel zum Flüssigkeitskanal 14 durch den Hohlraum 8 zum Kühlmittelabfluß 19 vernachlässigbar.
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Bei einem Ausfall des Kühlmittelzuflusses ist die kontinuierliche
Wärmeabführung durch die den Flüssigkeitskanal 14 durchströmende Kühlflüssigkeit
unterbrochen. Die Widerstandsschicht C mit dem Hohlkörper 1 und folglich auch di
Kühlflüssigkeit im Kanal 14 werden aufgeheizt. Fin Teil der Wärme wird von dem spindelförmigen
Körper 3, der beispielsweise aus Kunststoff besteht, zu der Flüssigkeit im Hohlraum
ts geleitet. Da die Spindel 3 jedoch einen erheblichen Wärmewiderstand darstellt,
heizt sich die Kiihlflfissigkeit im Kanal 14 immer stärker auf, bis ihre Verdampfung
einsetzt. Der Dampf steigt in den oben erweiterten Teil des Flüssigkeitskanals 14
und
gelangt in den Raum 10 für den Kühlmittelabflüß. In dem Abflusjstutzen
19 noch vorhandene Flüssigkeit hält den Dampf zuriick. Der Dampf durchsetzt das
gasleitende Ventil 11 und bewirkt einen Druckausgleich zwischen dem Gasratun 20
am oberen Ende des Flüssigkeitskanals 14 und dem Gasraun 21 im Hohlraum 8. Do der
Flüssigkeitskanal 14 und der Hohlraum 8 kommunizierende Gefäße sind, führt der Druckausgleich
zur Niveaugleichheit der Kühlflüssigkeit in beiden Gefäßen. Solange das Flüssigkeitsniveau
22 über dem oberer Ende oder etwa in Höhe des oberen Endes der Widerstandsschicht
2 liegt, ist deren Kühlung gewährleistet. Falls das Flüssigkeitsniveau 22 unter
das obere Ende der Widerstandsschicht 2 absinkt, wird das obere, nicht mehr gekiihlte
Ende der Widerstandsschicht 2 durch den vergrößerten Wärmewiderstand zwischen ihm
und der Flüssigkeitsoberfläche 22 überhitzt und zerstört. Ein spindelförmiger Körper
3 aus gut wärmeleitendem Material, beispielsweise aus Metall, kann den Beginn des
Verdampfens von Kühlflüssigkeit im Kanal 14 hinauszögern. Die Spindel 3 kann Wärme
von der aufgeheizten Kühlflüssigkeit im Kanal 14 auf die im Hohlraum 8 gespei c0ier
te Kühlflüssigkeit übertragen. Die fröße Flüssigkeitsmenge im Hohlraum 8 bewirkt
damit ein verzögertes Einsetzen von Verdampfung im Kanal 14. Die Fläche 24 In der
Armatur 5 ist kalottenförmig ausgebildet. Di e ebenfalls durch den Dampf aufgeheizte
Armatur 5 gibt über ihre Außenflächen einen Teil ihrer Warme an dJe UMgebung ab.
Die kalottenförmige Fläche 24 wird durch die Wärmeabgabe ari die Umgebung etwas
gekühlt. Der an ihr kondensierte Dampf fließt wie bei einer Rückflußkühlung kontinuierlich
als Flüssigkeitsfilm über die kalottenförmige Fläche 24 zuriick in den Flüssigkeitskanal
14.
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Die Widerstandssschicht 2 auf dem Hohlkörper 1 reicht mit ihrem obere?
Ende nicht bis an die Armatur 5 heran.
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Die Verkürzung der Widerstandsschicht 2 ist günstig, weil durch sie
bei Ausfall des Küia .ittelzuflusses und Verdampfung des Kiihlmittels im Kanal 1
14 das obere Ende der Widerstandsschicht 9 von dem absinkenden Flüssigkeitsspiegel
22 später erreicht und somit eine lfflngere Ausfallzeit des Kiihlmit+elzuflusses
überbrückt wird.
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Das Ventil 11 am obere Ende (e spindelförmigen Körpers 3 kann auch
als Durchbruch mit einem Schwimmer, beispielsweise einer schwimmenden Kugel 23 wie
in der Figur mit gestrichelten Linien angedeutet, ausgestaltet sein. Der Schwimmer
23 verschließt nach dem Füllen des Hohlraums 8 diesen flüssigkeitsdicht. Drc die
bohrung des Ventils 11 eintretender Dampf kann ungehindert in den Hohlraum 8 gelangen.
Diese Ausfiihrung des Ventils 11 ist gasleitend und flüssigkeitsdicht.
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Die Stangen 25 des Spannverbandes 6 sind in der Armatur 4 für den
Kühlmittelzufluß fest verschraubt und gleitend durch Durchbrücke in der Armatur
5 für den Kühlmittelabfluß und in der Deckplatte 26 hindurchgeführt. Ein in die
Deckplatte 26 eingeschraubter Bolzen 27 drückt auf ein elastisches Ausgleichselement
28, das aus einer Druckplatte mit Tellerfedern besteht. Beim Anziehen der Muttern
29 übt die Deckplatte 26 über den Bolzen 27 auf das elastische Ausgleichselement
28 einen Druck aus, durch den die Armaturen 4 und 5 mit etwa gleichmäßiger Flächenpressung
gegen die Stirnflächen des Hohlkörpers 1 gepreßt und infolge der Dichtung 7 flüssigkeitsdicht
gegeneinander verschlossen werden. Das elastische Ausgleichselement 28 stellt einen
Kraftspeicher dar, der die während des Betriebes des Widerstandes auftretenden verschiedenen
Wärmedehnungen ausgleicht.
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In der Höhe des unteren und oberen Endes der Widerstandsschicht 2
sind die Stromzuführungen 30 angebracht, die seitlich vom Widerstand abstehen. Die
Anschlußstutzen 18 und 19 sind in die Armaturen 4 und 5 für den Kühlmittelzufluß
und -abfluß mit zwischengelegten Dichtungsscheiben eingeschraubt.
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1 Figur 6 Patentansprüche