DE3124408A1

DE3124408A1 - "verfahren zur dampfkuehlung eines waermeerzeugenden bauteiles und damit gekuehltes elektrisches geraet"

Info

Publication number: DE3124408A1
Application number: DE19813124408
Authority: DE
Inventors: Ronald Thomas Murrysville Pa. Harrold
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1980-06-27
Filing date: 1981-06-22
Publication date: 1982-03-25
Also published as: SE8104029L; US4350838A; SE447314B; GB2080631B; CA1157114A; JPS6019425B2; GB2080631A; DE3124408C2; NO812132L; FR2485709B1; FR2485709A1; JPS5743181A

Description

PAT B H TAN W Aiii

DIPL. ING. S.

PHILIPPINE - WBIiBEB - βΤΒΑΒΒΗ 14

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

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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.

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-

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 ^;

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_ 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

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-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

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* ♦ «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 ζu_ofordnet 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

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-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.

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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-

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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-

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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

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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-

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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 £'i_o. ü i.ocn «..iac vveittre Ausiühi'Un_oöform 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

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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.

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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.

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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.

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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.

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Claims

FA T B N T A NW A XiX

. ing. K.

SILIPPINK -WBIiSBB - STEASSB IA

AUGSBUKG

TELEFON 018478

S33S02 petal d

-χ-

Patentansprüche

lly 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.

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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.

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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 33erührun_o stehende Flüssigkeit

ist.
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.

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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.

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16. Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 9

bis 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 der

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Gchäusewand 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.

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