DE3124408A1 - "verfahren zur dampfkuehlung eines waermeerzeugenden bauteiles und damit gekuehltes elektrisches geraet" - Google Patents
"verfahren zur dampfkuehlung eines waermeerzeugenden bauteiles und damit gekuehltes elektrisches geraet"Info
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Description
DIPL. ING. S.
AUGSBUBG
TELBFOK 51·*76
TELEX 68SB0S ρ·« *
Augsburg, den 16. Juni Anw.Aktenz.: W.1064
Westinghouse Electric Corporation, Westinghouse Building, Gateway Center, Pittsburgh,
Pennsylvania 15222., V.St.A.
Verfahren zur Dampfkühlun^j eines wurme erzeugenden Bauteiles
und damit gekühltes elektrisches Gerät
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dampfkühlun^
eines^wärmeerzeugenden'Bauteils nach dtn überbegriff des"
Anspruchs 1 sowie ein nach diesem Verfahren gekühltes elektrisches Gerät.
Die Kühlung wärmeerzeugender Bauteile durch Verdampfung
einer darauf aufgesprühton Flüssigkeit ist bekannt und läßt
sich gewöhnlich ohne wesentlich«- ;;ciiwierigi.eiteü realisieren
BAD ORIGINAL
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Dampfkühlung
von gekapselten und in sich abgeschlossenen Systemen,
die ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit sowie solche Kühlmittel erfordern, die nicht nur die Kühlfunktion, sondern aucn
noch andere Aufgaben, nämlich beispielsweise die elektrische Isolation wahrnehmen. Beispiele hierfür sind dampfgekühlte
Leitungstransformatoren, bei denen, wie beispielsweise in den US-Patentschriften 3 819 301, 3 834 835 und 2 845 472
beschrieben ist, eine verdampfbare Flüssigkeit aus einem Vorratsbehälter oder einem Plussigkeitssumpf auf einen
oberhalb der wärmeerzeugenden Konstruktion, nämlich in diesem Fall des Transformatorkerns und der Transformator-
*ri.cKlungen, gelegenen Pegel gepumpt und sodann auf die wärmeerzeugende
Konstruktion aufgesprüht wird, um diese durch Verdampfung der Flüssigkeit zu kühlen. Der dabei entstehende
Dami/f wird anschließend kondensiert, beispielsweise indem
er durch einen Kühler geleitet wird, und das Kondensat wird sodann wieder in den Vorratsbehälter zurückgeleitet. Dieser
Zyklus wiederholt sich selbsttätig ständig während des Betriebs des Transformators, solange flüssiges Kühlmittel
aus dem Vorratsbehälter auf die wärmeerzeugende Konstruktion
augesprüht wird.
Sollte das Ilochpumpen des flüssigen Kühlmittels unterbrochen
werden, während sich der Transformator unter Last
BAD ORIGINAL
befindet, hätte dies einen schnellen Temperaturanstieg zur Folge und konnte zu gewaltigen Problemen führen, jis ist
daher äußerst wichtig, daß die Pumpeinrichtung, be.i
bekannten Anordnungen gewöhnlich eine elektromecnaniscne Motorpumpe, im Betrieb absolut zuverlässig ist.
Das in dampfgekühlten Transformatoren gewöhnlich verwendete
flüssige Kühlmittel, nämlich beispielsweise Fluorkohlenstoff oder neuerdings Tetrachloräthylen, dient auch als
elektrische Isolation zur Verhinderung elektrischer Durchschläge zwischen dem stromführenden Teil des Transformators
und seinem Gehäuse, jedoch kann das Kühlmittel diese Isolierfunktion
nur dann wahrnehmen, wenn genügend Flüssigkeit verdampft worden ist, um einen eine ausreichende dielektrische
Festigkeit ergebenden Dampfdruck zu erreichen, was bedeutet, daß sofort nach Einschalten der Last die von dem Kühlmitteldampf
allein erhaltene elektrische Durchschlagsfestigkeit unzureichend wäre.
Zur Bewältigung dieses Problems findet üblicherweise zusätzlich ein Gas Anwendung, nämlich Schwefelhexafluorid,
das eine hohe dielektrisch*:. Festigkeit besitzt una xveder in
Belastungszustand noca im Leerlaufzustand des Transformators kondensiert, so daß dieses Gas auch dann eine ausreichende
Isolation herstellt, wenn der Kühlmitteldaiapfdruck hierzu
BAD ORIGINAL
nicht ausreicht. Die zusätzliche Verwendung dieses Gases reduziert jedoch die Kühlwirkung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
der eingangs genannten Gattung zur Dampfkühlung eines wärmeerzeugenden Bauteils dahingehend zu verbessern,
daß weder eine herkömmliche Flüssigkeitspumpe noch ein V-" gasförmiges Dielektrikum erforderlich ist, um eine jederzeit
ausreichende Kühlung und Isolation eines elektrischen Geräts zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen
gelöst.
Ein nach diesem Verfahren gekühltes elektrisches Gerät ι nach der Erfindung ist Gegenstand des Anspruchs 3.
Die von 'dem bzw. jedem Ultraschallwandler, bei dem es
sich vorzugsweise um einen mittels einer geeigneten Hochfrequenz-Leistungsquelle
angeregten piezokeramischen Schwinger handelt, erzeugten Schallwellen bilden einen intensiven
Ultraschallstrahl, der, insbesondere bei Fokussierung, eine von der Flüssigkeitsoberfläche aufsteigende Sprühnebelfontäne
erzeugt, welche die wärmeerzeugende Konstruktion benetzt. Mit anderen Worten, der Ultraschallstrahl bewirkt nicht
ORIGINAL INSPECTED
nur eine Zerstäubung der Kühl- und Isolierflüssigkeit, sondern
"pumpt" diese auch derart nach oben, daß eine wirksame Verdampfungskühlung
stattfinden kann, ohne daß dazu eine besondere Pumpe der bisher üblichen Art erforderlich ist.
Darüberhinaus setzt die Zerstäubung und Pumpförderung der
Flüssigkeit beim Einschalten des Wandlers sofort ein, weshalb die das wärmeerzeugende Bauteil enthaltende Kammer
sofort von dem dielektrischen Sprühnebel erfüllt wird, unabhängig vom Belastungszustand und folglich von der
Temperatur des wärmeerzeugenden Bauteils. Daher besteht keine Notwendigkeit für ein besonderes Isoliergas, wie beispielsweise
SPg, um während der Einschaltphase oder bei schwacher
Belastung eine ausreichende elektrische Durchschlagsfestigkeit sicherzustellen. Ein zusätzlicher Vorteil der erfindungs-·
gemäßen Verwendung einer Ultraschall-Zerstäubungseinrichtung liegt darin, daß ihr Betrieb leicht überwacht und gesteuert
werden kann, um das Maß der akustischen Zerstäub ing und Förderung des dielektrischen flüssigen Kühlmittels wechselnden
Bedingungen anpassen zu können.
Einige Ausführungsoοispiele der Erfindung werden nachstehend
mit Bezug auf iie anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben_, in Helenen zeigen:
BAD ORIGINAL \t_
- vf' ■■.
Die Fig. 1 bis 6 jeweils einen Vertikalschnitt durch
verschiedene Ausführungsbeispiele
- ' eines dampfgekühlten elektrischen
Transformators nach der Erfindung, und
die Fig. 7 bis 9 jeweils in schematischer Darstellung·-
verschiedene Möglichkeiten der
akustischen Erzeugung einer Mikronebel- und Dampf-Fontäne mittels eines
piezokeramischen Schwingers.
akustischen Erzeugung einer Mikronebel- und Dampf-Fontäne mittels eines
piezokeramischen Schwingers.
Fig. 1 zeigt einen Leistungstransformator 11, der ein
geschlossenes Gehäuse 13, den darin befindlichen, wärmeerzeugenden eigentlichen Transformator 15 und einen Kondensationskühler 17 aufweist. Ferner ist der Leistungstrans-
geschlossenes Gehäuse 13, den darin befindlichen, wärmeerzeugenden eigentlichen Transformator 15 und einen Kondensationskühler 17 aufweist. Ferner ist der Leistungstrans-
formator 11 mit einer Einrichtung 19 zur Erzeugung von Ultra- '
Schallschwingungen ausgestattet. Das Transformatorgehäuse 13 .
bildet eine geschlossene Kammer 21, in welcher der Trans- ;
formator 15, der Kondensationskühler 17 und die Ultraschall-
einrichtung 19 untergebracht sind. Es besteht aus geeignetem ι
steifem Werkstoff, beispielsweise Metall oder Glasfasermaterial. ■
Der eigentliche Transformator 15 besteht aus einem ·
magnetischen Kern 25 und elektrischen Wicklungen 23, die i
über den Kern induktiv miteinander gekoppelt sind. Obwohl ;
ORIGINAL INSPECTED COPY
_ tidies in der Zeichnung der Einfachheit halber nicht dargestellt
ist, weist der Transformator selbstverständlich auch eine Tragkonstruktion für den Kern und die Wicklungen sowie
elektrische Anschlußleitungen zwischen den Wicklungen 23 und
elektrischen Anschlußdurchführungen 27 auf.
Der Kühler 17 besteht aus einer Anzahl von Rohren 29»
die jeweils durch offene Zwischenräume 31 voneinander getrennt sind, durch welche ein Rückkühlmedium, beispielsweise
Umgebungsluft, hindurchzirkulieren kann. Dio oberen Enden der Rohre 29 stehen mit dem oberen Teil der Gehäusekammer
21 und die unteren Rohrenden mit dem unteren Teil der Kammer in Verbindung, so daß Kühlmitteldanpf und Nebel
durch die oberen Rohrenden in die Rohre eintreten kann, in den Rohren gekühlt und kondensiert wird, und das Kondensat
sodann aus den unteren Rohrenden in den unteren Teil der ■Kammer zurück ablaufen kann, um dort wieder in der nachstehend
beschriebenen Weise durch Zerstäubung in Dampf und Nebel übergeführt zu werden.
Gemäß der Erfindung befindet sich die Einrichtung 19 zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen im unteren Teil
des Gehäuses 13, d.h. nahe des Gehäusebodens, und weist mindestens einen Ultraschallwandler 33 auf, der als piezokeramischer
Wandler ausgebildet ist. Vorzugsweise hat der piezokeramische Wandler 33 eine konkave bzw. schüsiselartige
BAD ORIGINAL C0PY
-Vr-
Form zur Fokussierung der Ultraschallschwingungen auf die
Oberfläche der darin befindlichen isolierenden Flüssigkeit.
Vorzugsweise enthält die Kammer 21 mehrere, beispielsweise sechs derartige schuss eiförmige piezokeramisehe wandler
bzw. Schwinger 33, die mit gegenseitigen Abständen angeordnet sind, wobei die Zwischenräume zwischen dt.η einzelnen
Wandlern von Behältern 35 eingenommen werden, die ebenfalls
mit; der isolierenden Flüssigkeit 37 gefüllt sind. ΙΆζ inren
oberen Rändern stehen die Wandler 33 und die Behälter 35 in
flüssigkeitsdichter Berührung miteinander, so daß der Flüssigkeitsspiegel in den Wandlern und den Behältern stets auf
einem vorgegebenen Pegel gehalten wird, wobei die Behälter 35 als mit der isolierenden Flüssigkeit 37 gefüllte Vorratsbehälter
für die Wandler 33 dienen. Während der Flüssigkeit fidampf im Kühler 17 kondensiert, wird das Kondensat in
die. Ijenil.lter 5o zurückgeleitet, aus welchem, es in die verschiedenen
scnüsselförmigeii --'andler 33 überläuft, so daß in "
diesen stets ein für eine optimale Dampf- bzw . Jsbc-ldrzeugung
geeigneter Flüssigkeitsstand herrs.cnt. Die Wandler 33 befinden
sicn unter F,ildung on Zwischenräumen 39 oberhalb des
Gehäusebodens, wooai die Zwischenräume 39 mit einem Stoff,
beispielsweise Luft oder SF- gefüllt sind, der eine gegenüber
derjenigen der Flüssigkeit solcne akustische Impedanz hat, daJo im wesentlichen die gesamte, von den Wandlern 33 erzeugte
BAD
* ♦ «ft·« · M ft
- iß. -
akustische Energie zur Flüssigkeitsoberflache hin gerichtet
wird. Die Behälter 35 befinden sicn auf Unterlagen 4l, beispielsweise aus Tetrafluoräthylen (Teflon).
üie Wandler 33 werden von einer Hochfrequnez-Leistungsquelle
42 angeregt, welcher ein Impulsgeber 43 ζuofordnet
ist und die über ein Kabel 45 mit den Ultras challv/andler η 33
verbunden ist. Bei Erregung durch die Leistungsquelle 42 erzeugen die Händler 33 in der Flüssigkeit hochintensive
Ultraschallwellen, die infolge der Schüsse!artigen Form der
Wandler 33 auf die Oberfläche der in den Wandlern befindlichen isolierenden Flüssigkeit 37 fokussiert werden, so daß die
Flüssigkeit 37 unter Äavitationserzougung zerstäubt wird und
eine aus Mikronebel und Danipfmolekülen bestehende Fontäne 47
erzeugt wird, die von der Flüssigkeitsoberfläche in dem betreffenden piezokeramischen Wandler 33 aus nach oben aufsteigt
und die Oberflächen der Transformatorwicklungen 23 und des Transformatorkerns 25 benetzt.
Die schüsseiförmigen Wandler 33 haben vorzugsweise jeweils einen Durchmesser von etwa 10 cm und arbeiten im
Frequenzbereich von etwa 0,1 MHz bis ό'Λΐϊζ. Da sich hinter
ihnen Luft oder 8F^- befindet, wird im wesentlichen sämtliche
von ihnen erzeugte akustische Energie auf ihren Brennpunkt 4y
gerichtet. Die sechs mit gleichen gegenseitigen Abständen
ORIGINAL
-JrT-" 4t-
angeordneten Wandler 33 können mittels einer ίίοοίιΛνίχΐιειιζ-Lei.stungsquelle
42 mit einer Leitung von beispielsweise 1 kW botrieben werden, obwohl selbstverständlich die jeweilige
üingangsleistung in Abhängigkeit von der jeweiligen speziellen
Anordnung und Anzahl der verwendeten Wandler und auch die ßetriebsfrequenz von verschiedenen Faktoren, beispielsweise
der jeweils verwendeten isolierenden Flüssigkeit wie z.B. Tetrachloräthylen (CpClj.) abhängt.
Vorzugsweise werden die Fontänen 47 kontinuierlich erzeugt, solange sich der Transformator 15 im Betrieb befindet.
Je nach der dabei entwickelten Förderwirkung ist es andererseits auch möglich, einen impulsweisen Betrieb vorzussxien,
wobei die Wiederholungsfrequenz beim Einschalten des Transformators hoch und nach Erreichen der normalen Betriebstemperatur
von Kern und Wicklungen niedriger gewählt werden kann. Jm eine ausreichende elektrische Festigkeit des riikronebels
beim Einschalten des Transformators sicherzustellen, kann die akustischer Erzeugung der Nebelfontänen 47 unter Verwendung
einer ZeitSteuerschaltung etwa 10 s oder dgl. vor
dem einschalten des Transformators einsetzen. Die uOhc der
Fontänen 47 über der Flüssigkeitsoberflacne kann etwa 1 m
Getragen, und zur Sicherstellung einer ausreichenden benetzung
der l/icklurigen 23 und des uurns 25 an deren Oberseite kürinon
entsprechend angeordnete (JmlciiKbleche 51 vorgesenen sein.
BAD ORiGiNAU
312U08
Im Betrieb des Transformators verdampft der durch die akustischen Fontänen 47 erzeugte ilikronebel bei Berührung mit
den heißen Oberflächen des Tr ans forma torker ns und den
Wicklungen, wobei der Dampf die Kammer 21 ausfüllt und aus dort-n
oberen Teil in den Kondensationskühler 17 gelangt, wo der Dampf kondensiert und das Kondensat in den unteren Teil
der Kammer 21 bzw. in dit Behälter 35 und die schüsselförmigen
piezokeramischen Wandler 33 zurückgeleittt wird.
Ein vielter es Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in
Fig. 2 gezeigt, gemäß welcher jedem Ultraschallv/andler 33 ein
Rohr 53 zugeordnet ist, das aus einem geeigneten dielektrischen Werkstoff wie beispielsweise einem Glasfaser-Polyester-Jaterial
oder dgl. besteht und in geeigneter Weise, beispielsweise mittels eines Rahmens 55 so gehaltert ist, daß sein unteres
Ende in die Flüssigkeit 37 in dem betreffenden Wandler eingetaucnt
ist und das Rohr vom Brennpunkt 49 des betreffenden
Ultraschallstrahls aus von der FlüssigkeitsooerflciCne nach
oben ragt. Die beiden Endteile des Rohres 53 sind gegenüber dem verengten Mittelbereich des Rohres erweitert. Infolgedessen
konzentriert sich die akustische Energie aus der Flüssigkeit 37 in den verengten ilittelbereichen der Rohre 53 und
bewirkt ein radiales Wegscnleudern zerstäubter Flüssigkeitströpfchen,
wie bei 59 angedeutet ist, auf die Wickelungen 23 und den Kern 25. Dieses Verfahren der Ze-rstüuoung von Flüssig-
BAD ORIGINAL ORIGINAL INSPECTED^ ^ COPY
keiten wurde bereits von R. W. Wood und A. L. Loomis in
"Philosophical Magazine and Journal of Sience 8.7, Vol. 4,
Nr.-22, September 1927 (Seiten 417 bis 4jj6 "The Physical
and Biological Effects· of High Frequency Sound Waves of Great
Intensity") in Verbindung mit Ultraschallversuchen beschriebe]
Bei dem dampfgekühlten Transformator 15 werden die
isolierenden Rohre 53 mit isolierender Flüssigkeit aus den akustisch erzeugten Fontänen 47 überzogen und erzeugen
selbst Sprüh- und nikronebelstrahlen 59, welche die xiühlung des Transformators weiter verbessern. Zur Syrün-
und i'likronebeierzeugung an bestimmten Bereichen des Transformator*cerris
und der Wicklungen können aucii andere Rohrformen Anwendung finden, beispielsweise eine um den Kern
und die Windungen "verlaufende- spiralige Rohrform.
Ein noch weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt, gemäß welcher eine Membran 61
mit Abstand vom Gehäuseboden 63 quer durch die Gehäusekammer
verläuft und den unteren Teil dieser Gehäusekammer des Leistungstransformators 11 strömungsmitteldicht unterteilt.
Die- Membran 61 besteht aus einem flexiblen Werkstoff, beispielsweise
'einem Glasfaser-Epoxiharz-.-laterial. 'üinc als
akustisches Koppelorgan geeigtete Flüssigkeit 75» beispielsweise
Mineralöl, füllt den unteren Teil des Transformator-
BAD ORIGINAL COPY
gehäuses 13 aus, wobei sich der Flüssigkeitsspiegel 67
geringfügig oberhalb dem untersten Teil der bogenförmig
nach unten gewölbten .lemoran 61 befindet. In dieser ηο^.-ΐυη
flüssiskeit ist ein Ultraschallwandler 33 angeordnet, dor
bei trre^uiiu auf di<^ xlamoran 6l fokupsi.;rte Flüssijkeitsschwingungen
69 erzeugt, wodurch auf der Oberseite der i-iambran befindliche isolierende Flüssigkeit 37 unt^r
Kavitationserzeugun{\ zerstäubt und in Form einer Fontäne-in
der Kammer 21 und um den Transformator Ib heruu nacn
oben geschleudert wird.
Fig. 4 zeigt nochmals ein weiteres Ausführungbeispie
der .iirfindung, wobei sich die isoliorcnao Flüssigkeit 37
in einem im oberen Teil des Gehäuses 13 angeordneten sciia
artigen Behälter 71 befindet, in welchem außerdem ein üirraschallwandler
33 in die Flüssigkeit eingetaucht angeordnet
ist. Im Betrieb des Ultraschallwandlers werdt-n Ultrascliullschwingungen
73 auf die Flüssigkeitsoberflache foKUSsiart,
wodurch die Flüssigkeit unter KavitationserzGugung zu Mikronebel
75 zerstäubt wird, der durch Perforationen am oberen
Behälterrand 77 hindurch aus dem Behälter in die .,ammer 21
austritt und dort über dem Kern und den Wicklungen des Transformators 15 niedersinkt und diesen durch Verdampfung
kühlt. Der dabei entstehende Dampf tritt in den Kühler 17 ein, wo er kondensiert, und das Kondensat fließt in den unteren
BAD ORIGINAL
- 2-t -
Teil des Gehäuses 13 zurück, aus welchem es durch eine eine
Pumpe enthaltende Leitung 79 in den Behälter 71 zurückgefordert
wird.
Ferner zeigt Fig. 5 eine nochmals weitere Ausführungsform der Erfindung, die sich von den Ausführungsbeispielen
nach den Fig. 1 bis 4 dadurch unterscheidet, daß das Transformatorgehäuse 13 mit dem Kühler. 17 als Innengehäuse
ausgebildet ist, das seinerseits von einem AußengehäusG 81 umschlossen ist. Dabei wird das Innengehäuse 13 von einem
geeigneten. Rahmen 83 im Außengehäuse 81 gehalten. Der Ultraschallwandler 33 befindet sich zwischen Außengehäuse 8l
und Innengehäuse 13, wo er in eine die Schallenergie übertragende Flüssigkeit 65, beispielsweise Mineralöl, eingetaucht
ist, so daß die von ihm erzeugten Ultraschallschwingungen zum ooden des Innengehäuses übertragen werden, wodurch iia
Boden des Innengehäuses befindliche isolierende Flüssigkeit unter Kavit at ions erzeugung zu einer Fontäne. 89 zerstäubt wird,
welche ~derl Transformator 15 umschließt und seine über'flachen
benetzt. Ebenso wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen
gelangt der dabei entstehende Dampf zusammen mit nicht verdampftem Mikroneoel in den Kühler 173 aus welchem
das Kondensat zum Boden des Innengehäuses 13 zurückgeleitet wird. Dieser Innengehäuseboden ist hier natürlich aus einem
flexiblen Werkstoff, beispielsweise ..einem Glasfaser-i'olyester-
BAD ORiQlNAL
material mit einer Dicke im Bereicii von t;twa 1 lrau ο is 3 ιίηιι
hergestellt, uin die akustische tiner.ji«. aufnehmen und dit.
Flüssigkeit 37 unter jCavitationso-rtfuugun., zerstäuu.π zu Lv-iirun.
Das AUioen0olii-.u8i 81 kann aus Mg tall, bv.isi-ielswüioc Jta.il,
gefertigt sein. Außer dom können zusätzliche piezokiramibC:i&
Schwinger, wie sie beispielsweise bei 33' angedeutet sind,
vorgesehen und derart angeordnet sein, daß sie auf der Innenober-fläche
des InnengehäUoes 13 niedergeschlagene Flüssigkeit
örtlich zerstäuben können.
Schließlich" zei^c £'io. ü i.ocn «..iac vveittre Ausiühi'Unoöform
der ".Lrfindun^:, die ein Genaust. :jl aufweist, das vorzugsweise aus iüitteis FlaiioCiU.ii 3J>
viiittir.anaur bcfestljtcn obere;,
und unteren ji".ri:.luseh".lfi;cii besteht. Da j uonilust; '-jl hat
voraugswoise eine kujeliji. oder lin^iiartiae For..i und ist
aus einen Polyester-Glasfaser--Iaterial ;ait einer i,dck\.. von
etwa 1 inra bis 5 Kirn hergestellt. Das Geh ".use kann aucii aus ti;.o;i
anderen geöi^neten Werkstoff testelu-n, Vielehes dit. akustische
jiiieriiie aufnimmt, um die isolierende !''ldssigkeit uater i.avitationserzeugun^
zu einer Fontäne zu zerstäuben. Im Betrieo
werden, wie bei 87 angedeutet ist, von dun Ultraschallwandler
33 erzeugte Ultraschallscirwin^uiigen auf dtn unteren
/jandteil des Gehäuses 91 übertragen. Dies verursacht kavitation
an dor Oberfläche der i;.i üuiiäusc- befindlichen isolierenden
Flüssigkeit 37 und folglich die Bildung einer Fontane 47 aus
BAD ORIGINAL
Γ-iikronebel, welche den Transformator 15 in der Gehäusekammer
einhüllt.
Die von der Gehäusewand aufgenommenen Ultraschallsci.wingungen
v/erden außerdem durch die Gehäusewand selbst übertragen, die, beispielsweise bei 97 und 99» mit verdünnten
Bereichen ausgestattet ist, um die akustisene energie zu
verstärken und dadurch auf der Innenwandfläche des Gehäuses niedergeschlagene Flüssigkeit und in Form von Nebelstrahlen
auf den Transformator 15 zu richten, wie beispielsweise bei 101 und 103 angedeutet ist. Außerhalb des Gehäuses
angeordnete und damit in Wärmeaustausch stehende Kühlrohre
kühlen die Gehäusewand, so daß Dampf und ~<likronebel aus der gemäß den Pfeilen 107 zirkulierenden Fontäne 47 auf der
Gehäuseinnenwandfläche kondensieren, wobei ein Teil des
Kondensats, wie bei 101 und 103 angedeutet ist, wiederum zerstäubt wird und der Rest des Kondensats in den Flüssigkeiusvorrat
37 am Boden des Gehäuses 91 zurückfließt, wonach der Zyklus (-Iikronebelerseugung, Kühlung des Transformators
durch Verdampfung des darauf niedergeschlagenen Mkronebels, kondensation des Dampfes an der Gehäusewand und Rückfluß
der; Kondensats in den akustisch agitierten Flüssigkeitsvorrat)
von neuem beginnt.
Bei allen Ausführungsbeisyielen bezeichnen gleiche Bezugszeichen selbstverständlich gleiche bzw. entsprechende Teile.
BAD ORIGINAL
-2M-
Verschiedene Verfahren zur Bildung der akustiscnen Fontänen 47 in dampfgekühlten Geräten sind in den Fig. 7,
8 und 9 dargestellt.
Gemäß Fig. 7 ist ein Abstrahier 1O^ für Ultraschallschwingungen
in der isolierenden Flüssigkeit 37 eingetaucht und richtet einen engen Strahl 111 intensiver Ultraschallschwingungen
au einem Reflektor 113, der einen reflektierten Strahl 115 auf die Flüssigkeits-Luft-Grenzflache 117 richtet,
wo die Flüssigkeit durcn naviationserzeugung zu einer
Fontäne 119 aus Dampf und Plikronebel zerstäubt wird. Der
Reflektor 113 ist eben, so daß der reflektierte Strahl
divergiert, bevor er die Flüssigkeits-Luft-Gronzflache
erreicht.
Gemäß Fig. 8 richtet ein Abstrahler 109 aus x iezokeramischem
Material einen Ultraschallschviingungsstraiil
auf einen Reflektor 121, der konkav ausgebildet it>t und einen
reflektierten Strahl 123 auf die FlüssigKeits-Luft-Grenzfläche
117 richtet, wo die- Flüssigkeit durch Kavitationserzeugung
zerstäubt und verdampft und in B'orm einer Fontäne I
aus i'Iikronebel und Dampfmolekülen nach oben geschleudert wiru.
Da der Reflektor 121 konkav ist, w i?d der reflektierte Strahl 123 auf einen kleineren Bereich der Flüssigkcito-Luft-Grenzfläcne
117 als bei der Ausführungsmüglicakeit nach Fig· 7
fokussiert.
BAD ORIGINAL
t r ν w
In Fig. 9 ist ein in die isolierende Flüssigkeit 37 eingstauchter rohrformiger Abstranler 127 aus piezokeramischem
tlatorial dargestellt, der einen sica allseits ausbreitenden
strahl 129 akustischer Energie zu Reflektoren 131 hin ricntet,
dii. mit Radialabstand um den Abstrahler herum angeordnet sind.
Die Reflektoren 131 sind vorzugsweise konkav, so daß sie den jeweils reflektierten Strahl 133»-135 auf die Flüssigkeit
s-Luft-Grenzf lache 117 fokussieren.· Dabei können ctie
reflektierten Strahlen der einzelnen Reflektoren alle auf den
gleichen Oberflächenbereich oder, wie dargestellt, jeweils auf einen anderen Bereich der Flüssigkeits-Luft-Grenzflache
fokussiert werden, um nur eine einzige oder mehere akustische
Fontänen aus Mikronebel und Dampf zu erzeugen, wie sie bei
137 und 139 angedeutet sind.
Aus dan obigen Erläuterungen geht hervor, daß dir. verschiedenen .töglichkeiten zur Ausführung, dos erfindungsgemäßen
Verfahrens zur akustischen Erzeugxng einer i-iebelfontäne
von dar direkten Ultraschallanregung der Flüssig leit
mittels eines Ultrascnallivandlers 33 gemäß den Fig. 1 bis 6,
bis zur Anregung der Flüssigkeit unter Verwendung von Reflektoren
mit ebener oder fokussierendor konkaver liefljktionsfläche
zur mittelbaren Anregung der Flüssigkeit durcn von einem Abstrahier abgestrahlten Ultrasciiallvjellen naca den
Fig. 7 uis 9 reicht.
BAD ORJG|NAL -
- -36 -
In der Praxis kann dor Pegel der isolierender, Flüssigkeit im Sumpfbereich eines dampfgekühlten Leistungstran s format or s variieren, und zur Aufrechturhaltuitg einer
wirksamen Fontäne wäre es des'halD wünscüomswert, eiiioii
Ultraschallstrahl mit variabler Fokusöleruns zu erzeugen.
Dies kann entweder elektronisch durch zyklisches Durchlaufen
eines Frequenzbereiches un die Aroeitsfrequenz des piezokeramischen
Schwingers oder mit Hilfo von unterschiedlich
tief in die Flüssigkeit eingetauchten achüsselförv.igcn
piezoker amis chen Scbwin.jern erreicht v/erden.
Schließlich ist darauf hinzuweisen, daß die obon unter
Bezugnahme auf dampf gekühlte Ltiistungstransforrnatoren beschriebene
Erfindung in gleicher Weise aucxi bei anderen
viärmeerzeugenden 'elektrischen Gerätrn anwendbar i^t, beispio-lswcise
bei Röntgen- und Radareinrichtun^c η, die mit iioher
Spannung arbeiten, und auch bei LicktbüjoHlösche
von Leisturigsschaltern zur zeitweiligen Kühlung.
BAD ORIGINAL
Claims (21)
- FA T B N T A NW A XiX. ing. K.SILIPPINK -WBIiSBB - STEASSB IAAUGSBUKGTELEFON 018478S33S02 petal d-χ-Patentansprüchelly Verfahren zur Kühlung eines wärmeerzeugenden Bauteils durch Verdampfung einer in Form eines Sprühnebels darauf aufgebrachten Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß eine in einer das wärmeerzeugende Bauteil enthaltenden Kammer befindliche Flüssigkeit, die im normalen Betriebstemperaturbereich des wärmeerzeugenden Bauteils verdampft, mittels Ultraschallschwingungen entsprechend hoher Intensität zur Bildung des Sprühnebels zerstäubt wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Fokussierung eines intensiven Ultraschallstrahls die Zerstäubung der Flüssigkeit in Form einer auf das wärmeerzeugende Bauteil geschleuderten Nebelfontäne erfolgt.
- 3. i-iach dem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dampfgekühltes elektrisches Ger .'it mit einem Gehäuse, welches die das wärmeerzeugende Bauteil aufnehmende Kammer bildet und eine gewisse klenge dielektrische Flüssigkeit enthält, die im normalen Lötricbstcmpei'aturbei'ticn das wärmo er zeugenden Bauteils verdampf bar ist, ,^kennzeichnet durch eine Einrichtung (19) zur Ultraschallerzeu{jung mit mindestens einem Ultraschallwandler (33), der bei lirrejung einen auf die Flüssigkeit (37) einwirkenden Ultraocnallstraril erzeugt.BAD ORIGINAL COPY
- 4. Slektriscues Gerät nacn Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daio der Ultrascnallwandler (33) ein piezokeramischer Oszillator ist.
- 5. Elektrisches Gerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler (33) in die Flüssigkeit (37) eingetaucht und so orientiert ist, daß er den erzeugten Ultraschallstrahl auf die Flüssigkeitsoberfläche richtet.
- 6. alektrisch.es Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler (33) eine konkave Abstrahlfläche aufweist, welche den Ultrascnallstrahl auf die Flüssigkeitsoberfläche fokussiert.
- 7. Elektrisches Gerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ultraschallwandler (109) mindestens ein Reflektor (113, 121) zugeordnet ist, der ebenso wie der Wandler selbst in die Flüssigkeit eingetaucht ist, und daß die; Anordnung so jjetroffen ist, daß der Wandler den Ultraschallstrahl auf den Reflektor richtet und dieser ihn auf die !''lusoigkeitsooarflache reflektiert.BAD ORIGINAL^ 3-
- 8. Elektrisches Gerät nach Anspruch 7 j dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (121) als den reflektierten Strahl auf die Flüssigkeitsoberfläche fokussierenü^r Reflektor ausgebildet ist.
- 9. Elektrisches Gerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler (33) in einem Kammerteil, der durch eine schallener^ieübertraGende, die zu zerstäubende Flüssigkeit aufnehmende Trennwand (öl) von dem das wärmeerzeugende Bauteil (15) aufnehmenden Kammerteil aogetrennt ist, angeordnet und dort in schallener^ieübertragende, mit der Trennwand in 33erühruno stehende Flüssigkeitist.
- 10. Elektrisches Gerät nacn Ansprucn 3> dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler (33) so orientiert ist, daß er den von inm erzeugten Ultraschallstrahl auf die Trennwand (6l) richtet.
- 11. Elektrisches Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler (33) eine konkave Austrahlflache aufweist, ^reiche den Ultraschallstrahl auf die Grenzfläche zwischen der Trennwand (6l) und der scliallenergie übertragenden Flüssigkeit (65) fokussiert.BAD ORIGINAL
- 12. Elektrisches Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ultraschallxvandler ein ebenfalls in die schallenergieübertragende Flüssigkeit eingetauchter Reflektor zugeordnet ist und daß die Anordnung so getroffen ist, daß der Wandler den ültraschallstrahl auf den Reflektor richtet und dieser ihn zur Trennwand hin reflektiert.
- 13. Elektrisches Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor als den Ultraschallstrahl auf die Grenzfläche zwischen der Trennwand und der schallenergieübertragenden Flüssigkeit fokussierender Reflektor ausgebildet ist.
- Ik. Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (6l) als schalenförmig nach unten gewölbte, die zu zerstäubende Flüssigkeit (37 aufnehmende Membran ausgebildet ist.
- 15. Elektrisches Gerät naaii einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand als schalenfürmiger, die zu zerstäubende Flüssigkeit (37) aufnehmender Wandabschnitt eines innerhalb eines Außengehäuses (8l) angeordneten Innengehäuses (13) ausgebildet ist.BAD ORIGINAL-S-
- 16. Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 9bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der das wärmeerzeugende Bauteil (15) aufnehmende Kammerteil etwa kugelartig ausgebildet ist und sein unterer, schalenartiger, die zu zerstäubende Flüssigkeit (37) aufnehmender Wandteil die Trennwand bilaet.
- 17. Elektrisches Gerät nach Anspruch Ib, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gehäuse (91) eine außerhalb desselben angeordnete, mit der Gehäusewand in Wärmeaustausch stehende Kühleinrichtung (105) zugeordnet ist.
- 18. Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 3-bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kammer (21) mindestens ein schallenergieübertragendes längliches Element (53) angeordnet ist, das mit seinem einen Ende in die zu zerstäubende Flüssigkeit (37) eingetaucht ist und daraus Schallenergie aufnimmt und das einen nahe des wärmeerzeugendeη Bauteils (15) verlaufenden, derart ausgebildeten Bereich aufweist, daß die aufgenommene akustische Energie in diesem Bereicn konzentriert wird und auf diesem Bereich niedergeschlagene Flüssigkeit zerstäubt und auf das wärmeerzeugendc·. Bauteil ricntet.
- 19. Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß bestimmte Bereiche derBAD ORIGINALGchäusewand mit Ilitteln zur örtlichen Ultraschallzerstäubung von darauf niedergeschlagener Flüssigkeit in Form von . auf das wärmeerzeugende Bauteil (15) gerichteten Sprühstrahlen ausgestattet sind.
- 20. Elektrisches Gerät nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß an den genannten Wandbereichen außerhalb der Kammer (21) zusätzliche piezokeramisehe Ultraschallschwinger (33') angeordnet sind.
- 21. Elektrisches Gerät nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Gehäusewandbereiche selbst als die Ultraschallschwingungen örtlich konzentrierende Wandbereiche (97, 99) ausgebildet sind.BAD 0BIG5MAL
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