DE2947997C2 - Flüssigkeitsgekühlter Widerstand - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Widerstand gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher flüssigkeitsgekühlter Widerstad ist aus der DE-PS 6 87 083 bekannt. Der dort beschriebene flüssigkeitsgekühlte Widerstand besteht aus einem zylindrischen Gehäuse als Hohlkörper und einem in ihm konzentrisch angeordneten zylinderförmigen 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. 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen flüssigkeitsgekühlten Widerstand der gattungsgemäßen Art so auszubilden, daß er bei Ausfall des Kühlmittelzuflusses für eine kurze Zeitdauer zuverlässig gekühlt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 geiöst

Die erfindungsgemäße Ausführungsform weist mit dem Hohlraum in dem inneren Hohlkörper einen Stauraum für die Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser, auf, der bei störungsfreiem Betrieb vollständig gefüllt ist.

ίο Der Stauraum weist ein großes Volumen zur Speicherung von Kühlflüssigkeit auf. Dadurch wird die Wärmekapazität des elektrischen Widerstandes bedeutend erhöht, so daß sich der Widerstand bei Ausfall des Kühlmitttelzuflusses langsamer aufheizt Bei Ausfall des Kühlmittelzuflusses wird die Widerstandsschicht aufgeheizt Bei einsetzender Verdampfung steigt der im Flüssigkeitskanal entstehende Dampf in den oberen Teil des Flüssigkeitskanals und gelangt in den Raum für den Kühlmittelabfluß. Der Dampf durchsetzt das gasleitende Drosselorgan und dringt in den Hohlraum des inneren Hohlkörpers ein. Zwischen den Gasräumen beiderseits des Drosselorgans findet ein Druckausgleich statt, der zur Niveaugleichheit der Kühlflüssigkeit im Hohlraum und im Flüssigkeitskanal führt, da die beiden FIüssigkeitsräume kommunizierende Gefäße sind. Solange das Flüssigkeitsniveau über dem oberen Ende oder etwa in Höhe dss oberen Endes der Widerstandsschicht liegt, ist deren Kühlung ohne Kühlmittelzufuhr gewährleistet. Das Drosselorgan am oberen Ende des Hohlraums ist weitgehend flüssigkeitsdicht, damit bei störungsfreiem Betrieb keine Kühlflüssigkeit durch das obere Ende des Hohlraums im inneren Hohlkörper strömt und somit im Flüssigkeitskanal eine maximale Strömungsgeschwindigkeit und damit maximaler Kühlmitteldurchsalz herrscht.

Vorteilhaft ist es, das Drosselorgan als Durchbruch mit kleinem Durchmesser auszubilden. Eine solche Bohrung stellt bei der Herstellung des inneren Hohlkörpers einen geringen fertigungstechnischen Aufwand dar. Der an dem Durchbruch auftretende Druckabfall verhindert weitgehend das Durchströmen von Kühlflüssigkeit. Dabei ist es vorteilhaft, zusätzlich einen Schwimmer im Hohlraum vorzusehen. Der Schwimmer verhindert zuverlässig das Durchströmen von Kühlflüssigkeit durch das Drosselorgan.

Der innere Hohlkörper ist aus einem Material von hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt. Die Kühlflüssigkeit im Flüssigkeitskanal wird weniger stark erwärmt, da ein Teil der Wärme von dem inneren Hohlkörper zu der Kühlflüssigkeit in seinem Hohlraum geleilet wird. Falls sich der Widerstand auf der Außenseite des inneren Hohlkörpers befindet, leitet dieser einen Teil der Wärme direkt zu der Kühlflüssigkeit in seinem Hohlraum. Der gut wärmeleitende innere Hohlkörper crmöglicht damit die bessere Ausnutzung des im Hohlraum gespeicherten Kühlmittels. Bei Ausfall des Kühlmittelzuflusses kann der innere Hohlkörper die die verstärkte Aufheizung der Kühlflüssigkeit im Flüssigkeitskanal verursachende Wärmemenge schneller dem Speieher im inneren Hohlkörper zuführen. Durch die hohe Wärmekapazität der gespeicherten Kühlflüssigkeit kann das Verdampfen der Kühlflüssigkeit im Flüssigkeitskanal verzögert werden.

Die Kühlung des Widerstands ist bei Ausfall des Kühlmittelzuflusses gewährleistet, wenn das Niveau der Kühlflüssigkeit über dem oberen Ende oder etwa in Höhe des oberen Endes des Widerstands liegt, dann kann mehr Kühlflüssigkeit verdampfen und ein größe-

rer Gasraum entsteht, bis das Niveau der Kühlflüssigkeit auf die Höhe des oberen Endes des Widerstands abgesunken ist.

Im folgenden wird der erfindungsgemäüe flüssigkeitsgekühlte Widerstand beispielhaft anhand der Figur näher erläutert.

Die Figur zeigt einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen flüssigkeitsgekühlten Widerstand, der im Betriebszustand senkrecht stehend angeordne' ist. Auf einem zylindrischen Hohlkörper 1 aus einem thermisch gut leitenden Isolierstoff, beispielsweise Keramik, ist ein Widerstand 2, der beispielsweise auc einem aufgewickelten Widirstandsdraht besteht, aufgebracht. Im Innenraum des äußeren 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 Spannverband 6 auf die Enden des Hohlkörpers 1 gedruckt. Die Dichtung erfolgt durch Dichtungsringe 7, die auf den Stirnflächen des Hohlkörpers 1 aufsitzen. 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. 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 für den Kühlmittelabfluß. Der Hohlram 8 ist an seinem oberen Ende durch ein gasleitendes und weitgehend flüssigkeitsdichtes Drosselorgan 11 abgeschlossen. Der Raum zwischen der Inncnfläche 12 des Hohlkörpers 1 und der Außenfläche 13 des spindelförmigen Körpers 3 bildet den Flüssigkeitskanal 14 für das durchströmende Kühlmittel. Durch die auf der Außenfläche 13 des spindelförmigen Körpers 3 spiralartig umlaufende und an der Innenfläche 12 des Hohlkörpers 1 anliegende Erhebung 15 verläuft der Flüssigkeitskanal 14 wendelförmig. Dadurch strömt die Kühlflüssigkeit mit wirbelartiger Bewegung an der zu kühlenden Fläche 12 entlang und reißt dort etwa vorhandene Gasblasen mit. Blasenbildung und damit die Entstehung überhitzter Stellen auf 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 Flüssigkeitskanal 14 mündet in den Raum 10 für den Kühlmittelabfluß.

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 Drosselorgan 11. Beim Füllen des Hohlraumes 8 mit Kühlflüssigkeit kann der spindelförmige Körper 3 den Druck der von unten nachströmcnden Flüssigkeit auf die Flüssigkeitssäule im Hohlraum 8 angehoben und gegen die Armatur 5 gedruckt werden, wodurch das Drosselorgan 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. Nach vollständiger Füllung des Hohlraumes 8 und des Flüssigkeitskanals 14 fließt die 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 Drosselorgan 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 im Flüssigkeitskanal 14. Dadurch strömt die Kühlflüssigkeit fast nur durch den Flüssigkeitskanal 14 und kühlt bei störungsfreiem Betrieb den den Widerstandskörper bildenden Hohlkörper 1 mit dem Widerstand 2. Bei störungsfreiem Betrieb ist die Flüssigkeitsströmung parallel zum Flüssigkeitskanal 14 durch den Hohlraum 8 zum Kühlmittelabfluß 19 vernachlässigbar.

Bei einem Ausfall des Kühlmittelzuflusses ist die kontinuierliche Wärmeabführung durch die den Flüssigkeitskanal 14 durchströmende Kühlflüssigkeit unterbrochen. Der Widerstand 2 mit dem Hohlkörper 1 und folglich auch die Kühlflüssigkeit im Kanal 14 werden aufgeheizt. Ein Teil der Wärme wird von dem spindelförmigen Körper 3, der beispielsweise aus Kunststoff besteht, zu der Flüssigkeit im Hohlraum 8 geleitet. Da der spindelförmige Körper 3 jedoch einen wenn auch geringen Wärmewiderstand hat, heizt sich die Kühlflüssigkeit 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 Kühlmittelabfluß. In dem Abflußstutzen 19 noch vorhandene Flüssigkeit hält den Dampf zurück. Der Dampf durchsetzt das gasleitende Drosselorgan 11 und bewirkt einen Druckausgleich zwischen dem Gasraum 20 am oberen Ende des Flüssigkeitskanals 14 und dem Gasraum 21 im Hohlraum 8. Da 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 oberen Ende oder etwa in Höhe des oberen Endes des Widerstands 2 liegt, ist deren Kühlung gewährleistet. Falls das Flüssigkeitsniveau 22 unter das obere Ende des Widerstands 2 absinkt, wurde das obere, nicht mehr gekühlte Ende des Widerstands 2 durch den vergrößerten Wärmewiderstand zwischen ihm und der Flüssigkeitsoberfläche 22 überhitzt und zerstört. Da der spindelförmige Körper 3 aus gut wärmeleitendem Material ist, wird der Beginn des Verdampfens von Kühlflüssigkeit im Kanal 14 hinausgezögert. Der spindelförmige Körper 3 kann Wärme von der aufgeheizten Kühlflüssigkeit im Kanal 14 auf die im Hohlraum 8 gespeicherte Kühlflüssigkeit übertragen. Die große Flüssigkeitsmenge im Hohlraum 8 bewirkt damit ein verzögertes Einsetzen von Verdampfung im Kanal 14. Die Fläche 24 in der Armatur 5 ist kalottenförmig ausgebildet. Die ebenfalls durch den Dampf aufgeheizte Armatur 5 gibt über ihre Außenfläche einen Teil ihrer Wärme an die Umgebung ab. Die kartenförmige Fläche 24 wird durch die Wärmeabgabe an die Umgebung etwas gekühlt. Der an ihr kondensierte Dampf fließt wie bei einer Rückflußkühlung kontinuierlich als Flüssigkeitsfilm über die kartenförmige Fläche 24 zurück in den Flüssigkeitskanal 14.

Der Widerstand 2 auf dem Hohlkörper 1 reicht mit

seinem oberen Ende nicht bis an die Armatur 5 heran. Durch die Verkürzung des Widerstands 2 wird bei Ausfall des Kühlmittelzuflusses und Verdampfung des Kühlmittels im Kanal 14 das obere Ende des Widerstands 2 von dem absinkenden Flüssigkeitsspiegel 22 später erreicht und somit eine längere Ausfallzeit des Kühlmittelzuflusses überbrückt.

Das Drosselorgan 11 am oberen Ende des 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. Durch die Bohrung des Drosselorgans 11 eintretender Dampf kann ungehindert in den Hohlraum 8 gelangen. Diese Ausführung des Drosselorgans 11 ist gasleitend und flüssigkeitsdicht.

Die Stangen 25 des Spar.nverbandes 6 sind in der Armatur 4 für den Kühlmittelzufluß fest verschraubt und gleitend durch Durchbrüche 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 ui.d 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.

In Höhe des unteren und oberen Endes des Widerstands 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (4)

Patentansprüche:

1. Flüssigkeitsgekühlter Widerstand mit einem aufrecht stehenden zylinderförmigen Hohlkörper und einem in seinem Innenraum konzentrisch angeordneten zylinderförmigen Körper, die jeweils aus Isoliermaterial bestehen und durch einen einen Kühlkanal bildenden Zwischenraum voneinander beabstandet sind, der am unteren Ende des Hohlkörpers mit einem Kühlmittelanschluß und am oberen Ende des Hohlkörpers mit einem Kühlmittelabfluß in Verbindung steht, wobei der Widerstand auf der Außenseite eines der beiden Körper aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Körper (3) einen zum Kühlmittelzufluß (18) offenen Hohlraum (8) aufweist, dessen oberes Ende über ein die Kühlflüssigkeit mindestens weitgehend sperrendes, jedoch gasdurchlässiges Drosselorgan (11) mit dem oberen Ende des Kühlkanals (14) verbunden ist, daß der innere Hohlkörper (3) eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt und daß der Widerstand (2) nur bis zu einer dem oberen Ende des Hohlraumes (8) im inneren Hohlkörper (3) entsprechenden Höhe aufgebracht ist.

2. Flüssigkeitsgekühlter Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselorgan (11) ein Durchbruch im oberen Ende des innere Hohlkörpers (3) ist, dessen Durchmesser gegenüber dem Durchmesser des Kühlkanals (14) klein ist.

3. Flüssigkeitsgekühlter Widerstand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Schwimmer im Hohlraum (8) vorgesehen ist.

4. Flüssigkeitsgekühlter Widerstand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitskanal (14) zwischen dem äußeren Hohlkörper (1) und dem inneren Hohlkörper (3) durch Erhebungen (15), die spiralartig auf der Außenseite des inneren Hohlkörpers (3) angeordnet sind, begrenzt ist.