DE312607C

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Publication number: DE312607C
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Description

-- Die Leistungsfähigkeit elektrischer Maschinen und Apparate wird durch die Erwärmung der aktiven Materialien, das sind die Eisenkörper und Kupfer- bzw. Metallwicklungen, begrenzt, weil die zur' Verwendung gelangenden Isolationsmaterialien eine, höhere Temperatursteigerung, ohne Schaden zu leiden, nicht zulassen. Die Beanspruchung des Eisens ist durch die zulässige Erwärmung desselben, die durch die Verluste und durch die Höhe des Leerlaufstromes bedingt ist, begrenzt, während die zulässige Temperatur der Wicklungen vom verwendeten Isolationsmaterial abhängig ist.
Das Bestreben, die Leistungsfähigkeit elek--- The performance of electrical machines and apparatus is limited by the heating of the active materials, i.e. the iron bodies and copper or metal windings, because the insulation materials used do not allow a higher temperature increase without suffering damage. The stress on the iron is limited by the permissible heating of the iron, which is caused by the losses and the level of the no-load current, while the permissible temperature of the windings depends on the insulation material used.
The endeavor to improve the efficiency of elec-

trisOher Maschinen zu erhöhen, geht nun dahin, einerseits neue Isola'tionsmaterialien zu-finden, die höhere Temperaturen zulassen, andererseits die entwickelte Wärme raschest abzuführen. Die Steigerung der Leistungsfähigkeit durchTrisOher to increase machines is now, on the one hand, to find new insulation materials, allow higher temperatures, on the other hand, dissipate the heat generated as quickly as possible. The increase in performance through

ao Verwendung von neuartigen Isolationsmaterialien hat den Nachteil, , daß der elektrische ■■■ Widerstand der Leiter entsprechend der erreichten Endtemperatur proportional steigt. Im gleichen Verhältnis steigen damit die Wi cklungsverhiste durch Stromwärme. Die Steigerung der Leistungsfähigkeit ■ durch Verwendung von, durch die Maschinen geführter Luft, welche Raumtemperatur, besitzt, oder die Verwendung der Ölkühlung hat den Nachteil, daß ein verhältnismäßig geringes Temperaturgefälle vorhanden ist, das eine rasche Abfuhr der Wärme nicht zuläßt, so daß trotz energischer Kühlung im Innern der Maschine eine hohe Temperatur auftreten kann, die zu einer Vergrößerung der Abmessungen oder Verringerung der Leistung führen muß. Allen bisher in Betracht kommenden Verfahren, welche die Leistungsfähigkeit der Maschinen nach obigen Gesichtspunkten zu erhöhen trachten, haftet jedoch der Nachteil an, daß damit im allgemeinen eine Verminderung des Wirkungsgrades, vornehmlich durch Erhöhung . der Ohmschen Widerstände, verbunden ist. Dieselbe Erscheinung tritt naturgemäß auch bei stromführenden Leitungen auf, bei welchen der Spannungsabfall und damit der Verlust sich infolge Erwärmung der Leitungen erhöht. . . · _ ■ao use of new insulation materials has the disadvantage that the electrical resistance of the conductors corresponds to that achieved End temperature increases proportionally. The growth rate increases in the same proportion through electricity heat. The increase in performance ■ through use of air passed through the machines, which is at room temperature, or the use the disadvantage of oil cooling is that there is a relatively small temperature gradient is that does not allow a rapid dissipation of heat, so that despite energetic cooling A high temperature can occur inside the machine, which increases the Dimensions or reduction in performance. All that have been considered so far Processes that increase the performance of the machines according to the above criteria seek to increase, but has the disadvantage that it generally results in a reduction the efficiency, primarily by increasing it. the ohmic resistances is. The same phenomenon naturally occurs with live lines, at which the voltage drop and thus the loss are due to heating of the lines elevated. . . · _ ■

Den Gegenstand der Erfindung bildet ein Verfahren zur Kühlung von stromführenden Wicklungen und Widerständen, insbesondere bei elektrischen Maschinen u. dgl. und besteht darin, daß diese mit flüssiger Luft oder mit verflüssigten Gasen, die sich bei. tieferer Temperatur wie Luft verflüssigen, bzw. mit tiefunterkühlten Dämpfen verflüssigter Luft oder Gase, gekühlt werden. . ' ,The subject of the invention is a method for cooling current-carrying Windings and resistors, especially in electrical machines and the like in that these with liquid air or with liquefied gases, which are with. lower temperature how to liquefy air, or liquefied air or gases with deep-subcooled vapors, be cooled. . ',

Das neue .Kühlverfahren schaltet die vorerwähnten Nachteile aus. Bei der Temperatur der flüssigen Luft, oder bei noch tieferen Temperaturen vervielfacht sich die elektrische Leitfähigkeit der zum Bau von elektrischen Maschinen verwendeten Metalle, so daß durch den kleineren Verlust eine kleinere Wärmemenge zur Abführung gelangt und die Leistungsfähig-The new .Kühlverfahren eliminates the aforementioned disadvantages. At the temperature the liquid air, or at even lower temperatures, the electrical conductivity is multiplied of the metals used to build electrical machines, so that the smaller loss results in a smaller amount of heat comes to the discharge and the efficient

keit der elektrischen Maschinen und Apparate, bei gleicher Bemessung ganz erheblich gesteigert werden kann. Die elektrische Leitfähigkeit des Kupfers wird beispielsweise bei der Temperatur der flüssigen Luft mehr als fünfmal so groß als bei normaler Temperatur. Weiterhin ist die Möglichkeit gegeben, statt. durch das Temperaturgefälle den Wärmeausgleich zu bewirken, die Verdampfungswärme der flüssigenelectrical machines and apparatus, with the same dimensioning increased considerably can be. The electrical conductivity of copper is, for example, used in the Liquid air temperature more than five times higher than normal temperature. Farther is given the opportunity to take place. to bring about the heat balance through the temperature gradient, the heat of vaporization of the liquid

ίο Luft oder anderer flüssiger Gase zur Wärmeabfuhr zu benutzen, wobei die tiefe Temperatur ständig" erhalten bleibt. Ist die Kühlflüssigkeit flüssige Luft,' so werden etwa 50 kg Kalorien für die Verdampfung von 1 kg flüssiger Luft benötigt, wobei die absolute Temperatur etwa go ° beträgt. Ist das Kühlmittel ein tiefunterkühltes Gas oder Dampf, dann stünde theoretisch ein Vielfaches des sonst üblichen Temperaturgefälles zur Verfügung.ίο Air or other liquid gases for heat dissipation to use, whereby the low temperature is constantly "maintained. Is the coolant liquid air, 'about 50 kg of calories are needed for the evaporation of 1 kg of liquid air is required, the absolute temperature being about go °. Is the coolant a deeply subcooled Gas or steam, then theoretically there would be a multiple of the otherwise usual temperature gradient to disposal.

Dadurch ist die Möglichkeit einer besseren Ausnutzungsfähigkeit der elektrischen Maschinen gegeben. Das Eisen und die Wicklungs-This enables the electrical machines to be better utilized given. The iron and the winding

. ' abmessungen werden kleiner, das Gewicht und die Verluste sind geringer, als bei normaler Temperatur. Die Unterbringung der verhältnismäßig kleineren und leichteren Apparate kann in nahezu vollständig wärmedichten Gefäßen erfolgen. Die durch die Wärmeentwicklung in den elektrischen Maschinen und Apparaten gebildeten Dämpfe können abgesaugt und durch geringe Verdichtung in einem durch die Dämpfe selbst gekühlten Kompressor und nachheriger Entspannung wieder verflüssigt und zurückgeführt werden. Die zur Verflüssigung benötigte Mehrarbeit wird durch die Verringerung der elektrischen Verluste mehr als ausgeglichen.· Mit Berücksichtigung der Mehrarbeit für die Wiederverflüssigung sind daher die Verluste bei dieser Kühlmethode geringer als bei den bisherigen Ausführungen. "Es ergeben sich daher bei höherem Wirkungsgrade als Vorteile: geringes Gewicht bei gleicher Leistung, oder größere Leistung bei gleichem Gewicht. Die geringeren Abmessungen des Eisenkörpers, sowie die bei diesen Temperaturen im allgemeinen etwas höhere' magnetische Leitfähigkeit des Eisens, ergeben einen geringeren Magnetisierungs- und Leerlaufstrom, der geringere Leistungswiderstand und die kleineren Abmessungen einen geringeren Spannungsabfall. Infolge des letzteren und der Möglichkeit, eine beträchtliche Verdampfungswärme entwickeln zu können, ist eine bedeutende Überlastungsfähigkeit zulässig, wobei noch die hohe Durchschlagfestigkeit der verflüssigten Gase erwähnt sei.. 'Dimensions are getting smaller, the weight and the losses are lower than with normal Temperature. The accommodation of the relatively smaller and lighter devices can take place in almost completely heat-tight vessels. The heat generated in Vapors generated by electrical machines and apparatus can be extracted and passed through low compression in a compressor cooled by the vapors itself and afterwards Relaxation can be liquefied again and returned. The one needed for liquefaction Additional work is more than compensated for by the reduction in electrical losses. Taking into account the extra work for reliquefaction, the losses are therefore with this cooling method less than with the previous versions. "It therefore arises with higher efficiency as advantages: low weight with the same performance, or greater Performance with the same weight. The smaller dimensions of the iron body, as well the generally somewhat higher 'magnetic conductivity of the at these temperatures Iron, result in a lower magnetizing and no-load current, the lower power resistance and the smaller dimensions have a lower voltage drop. As a result of the latter and the possibility of a considerable Being able to develop heat of vaporization is a significant overload capability permissible, whereby the high dielectric strength of the liquefied gases should also be mentioned.

An der Hand der Zeichnungen sollen mehrereUsing the drawings, several

Ausführungsformen des neuen Kühlverfahrens erläutert werden. Fig. 1 zeigt die Kühlung eines Transformators. In einem doppelwandigen Gefäß 1, bei welchem der Zwischenraum zwecks Verminderung der Wärmeleitfähigkeit evakuiert ist, befindet sich in flüssiger Luft oder in einem flüssigen Gase, das sich bei noch tieferen Temperaturen als Luft verflüssigt, ein den geänderten Verhältnissen entsprechend gebäuter Transformator 2. Die durch Eisen- und Kupferverluste entstehende Wärme bringt die flüssige Luft oder das flüssige Gas zum ■ Verdampfen. Durch das Rohr 4 werden die Dämpfe vom Kompressor, der dabei selbst gekühlt wird, angesaugt und auf einen, bei diesen tiefen Temperaturen notwendigen geringen Überdruck gebracht. Der Kompressor drückt dann die Dämpfe durch die Rohrleitung 3 in die Schlangenrohrleitungen 5, welche sich in der wärmedichten Hülle des Gefäßes befinden. Die Dämpfe werden schließlich am Entspannungsventil e entspannt und dadurch wieder verflüssigt. Dadurch entsteht ein steter Kreislauf der Luft oder des anderen zur Verwendung kommenden Gases. Flüssige Luft oder flüssiges Gas muß von* außen nur anfangs zugeführt werden, solange alle mit derselben oder dem-, selben in Berührung stehenden Körper nicht die Temperatur der Flüssigkeit angenommen haben und jene Verluste an flüssiger Luft decken, welche durch mangelhafte Wärme- '· dichtung entstehen. Theoretisch benötigt der Kompressor an Arbeit nur das Äquivalent der Verdampfungswärme der verdampften Flüssigkeit, also die-Arbeit, welche die Verluste des Transformators darstellen. Schon in dem Falle, daß bei Anwendung dieser Kühlung die Verluste halb so groß sind, als im normalen Falle, ergeben sich, bei theoretisch gleichem Wirkungs- 95' grade, alle oben angeführten Vorteile, wie geringe Gewichte, kleiner Spannungsabfall, kleiner Magnetisierungsstrom, sowie hohe Überlastungsfähigkeit. Da jedoch, wie bereits erwähnt, die Verluste auf mehr als ,die Hälfte wie bei normaler Temperatur herabsinken, so ergibt sich naturgemäß ein besserer Wirkungsgrad.Embodiments of the new cooling method are explained. Fig. 1 shows the cooling of a transformer. In a double-walled vessel 1, in which the space is evacuated in order to reduce the thermal conductivity, there is a transformer 2 built according to the changed conditions in liquid air or in a liquid gas that liquefies at even lower temperatures than air - Heat resulting from copper losses causes the liquid air or the liquid gas to evaporate. The vapors are sucked in through the pipe 4 by the compressor, which is itself cooled, and brought to a slight overpressure which is necessary at these low temperatures. The compressor then pushes the vapors through the pipeline 3 into the coiled pipelines 5, which are located in the heat-tight envelope of the vessel. The vapors are finally expanded at the expansion valve e and thereby liquefied again. This creates a constant cycle of air or the other gas that is used. Liquid air or liquid gas only has to be supplied from the outside at the beginning, as long as all bodies in contact with the same or the same body have not assumed the temperature of the liquid and cover those losses of liquid air which are caused by inadequate heat sealing develop. Theoretically, the compressor only needs the equivalent of the heat of vaporization of the vaporized liquid, i.e. the work that represents the losses of the transformer. If this cooling is used, the losses are half as great as in the normal case, with theoretically the same degree of effectiveness, all the advantages listed above, such as low weight, small voltage drop, small magnetizing current, and high overload capacity. However, since, as already mentioned, the losses drop to more than half of those at normal temperature, the result is naturally a better degree of efficiency.

Fig. 2 zeigt die Anwendung des neuen Kühlverfahrens bei Motoren und Generatoren. Aus den;-gegen äußeren Wärmeeintritt geschützten Maschinen wird die, stets dampfförmige, auf tiefer Temperatur befindliche Luft oder der tiefgekühlte Dampf eines entsprechenden Gases, durch die wärmedichte Rohrleitung 7 von dem Kompressor 6, der vorerst durch den ange- ίι'ο saugten Dampf selbst gekühlt wird, abgesaugt, verdichtet und in die Rohrleitung 9, welche in einem mit flüssiger Luft oder flüssigem Gase gefüllten Gefäß 8 eingebaut ist, gedrückt. Beim Austrittsventil e tritt Entspannung auf normalen Druck und Verflüssigung des Dampfes ein. Die Flüssigkeit sammelt sich im Gefäß 8, von wo sie als Dampf bei tiefer Temperatur durch die Rohrleitung 10 wieder in die Maschine tritt. Die .Wiederverflüssigung der LuftFig. 2 shows the application of the new cooling method in motors and generators. From the machines, which are protected against external heat ingress, the air, which is always vaporous and at a low temperature, or the frozen steam of a corresponding gas, is passed through the heat-tight pipe 7 from the compressor 6, which is initially supplied by the steam itself is cooled, sucked off, compressed and pressed into the pipeline 9, which is installed in a vessel 8 filled with liquid air or liquid gases. At the outlet valve e there is relaxation to normal pressure and liquefaction of the steam. The liquid collects in the vessel 8, from where it re-enters the machine as steam at a low temperature through the pipeline 10. The reliquefaction of the air

oder Gase ist hier nur angedeutet. Selbstverständlich können auch andere Apparate als. die erläuterten zur Wiederverflüssigung dienen. Durch entsprechende Ausbildung der zu küh- !enden Maschine mit Führungen und Kanälen, könnte sie selbst als Kompressor wirken, so daß ein besonderer Kompressor entfällt. Da das Kühlmittel in diesem Falle stets dampf- oder gasförmig ist, könnte ein größeres Temperaturgefälle zur Abkühlung der wärmeführenden Teile der Maschine in Betracht kommen, doch wird man zweckmäßig nur eine verhältnismäßige geringere Temperaturerhöhung über die Verdampfungstemperatur des angewendeten Gases zulassen, um die Vorteile der niedrigen Temperatur auszunutzen.or gases is only hinted at here. Of course, devices other than. the explained for reliquefaction. Through appropriate training of the too cool If the machine ends with guides and ducts, it could act as a compressor itself, so that there is no need for a special compressor. Since the coolant in this case always steam or is gaseous, a larger temperature gradient could be used to cool the heat-carrying Parts of the machine come into consideration, but only a proportionate one is expedient lower temperature increase above the evaporation temperature of the gas used allow to take advantage of the low temperature.

Fig. 3 zeigt die Anwendung des neuen Kühlverfahrens bei raschlaufenden Motoren und Generatoren größerer Leistung. Die gesamte ruhende Wicklung des Ständers 11 ist von einem mit flüssiger Luft, oder mit einem anderen verflüssigten Gas erfüllten Gehäuse 163 shows the application of the new cooling method to high-speed motors and generators greater performance. The entire stationary winding of the stator 11 is from a housing 16 filled with liquid air or another liquefied gas

, umgeben. Die Dämpfe sammeln sich im Räume 12 und werden durch den Läufer der Maschine vermittels des Turbokompressors 14, oder durch entsprechende Ausbildung des Läufers selbst, angesaugt, auf einen entsprechenden Druck gebracht und in die, im doppelwandigen, luftleer, surround. The vapors collect in the room 12 and are by the rotor of the machine by means of the turbo compressor 14, or by appropriate training of the runner itself, sucked in, brought to an appropriate pressure and into that, in the double-walled, vacuum

- gemachten Gehäuse 15, eingebauten Rohrschlangen 13 gedruckt. Nach der in den Rohrschlangen stattfindenden Kühlung werden die Dämpfe durch Entspannung (Ventil <?) auf den normalen Druck wieder verflüssigt, worauf sich der beschriebene Kreislauf wiederholt. In diesem Falle befindet sich der Ständer auf der Temperatur des flüssigen Gases, während die Temperatur des Läufers etwas höher ist. Im Ständer sind die Wärmeverluste gleich der Ver-, dampfungswärme des verdampften Gases, während im Läufer eine gewisse Temperatursteigerung auftreten wird. Die letztere wird praktisch nicht zu groß gewählt werden, da einer-. seits die Vorteile der niedrigen Temperaturen ausgenutzt werden sollen, andererseits der Kompresser zur Wiederverflüssigung keinen zu hohen Druck erzeugen soll.- Made housing 15, built-in pipe coils 13 printed. After the cooling that takes place in the coils, the Vapors are liquefied again by relaxation (valve <?) To normal pressure, whereupon the cycle described is repeated. In this case the stand is on the Temperature of the liquid gas, while the temperature of the runner is slightly higher. in the Stator, the heat losses are equal to the heat of vaporization of the vaporized gas, while a certain temperature increase will occur in the runner. The latter becomes practical not to be chosen too large, as one-. on the other hand, the advantages of the low temperatures should be used, on the other hand the compressor for reliquefaction does not allow should generate high pressure.

Claims

Patent Claims:

1. Procedure for cooling -current-carrying Windings and resistors, especially in electrical machines

and the like., characterized in that the windings or resistors, the electrical Machines with liquid air, or with liquefied gases, which are deeper or to liquefy or cool at approximately the same temperature as air. .

2. Embodiment of the method according to claim 1, characterized in that the windings or resistors in filled with liquid gases or liquid air, "heat-sealed vessels are enclosed, and the heat generated in the Windings and liquid air evaporated in the iron core of the winding is liquefied again and the windings to be cooled or. Resistance-containing vessel supplied again will.

3. Embodiment of the method according to claim 1, characterized in that > deeply cooled vapors of liquefied air or liquefied gases, which at even lower Temperatures condense as liquid air after passing through electrical machines, be liquefied again in a vessel filled with liquid air or gas, and that the resulting deep-subcooled vapors are used to cool the electrical machine are used.

4. Embodiment of the method according to claim 1, in particular for fast running Motors or generators, characterized in that the stationary winding of the motor or generator is directly from liquid air is cooled and its vapors pass through the rotor of the machine sucked out of the housing by a turbo compressor, then cooled in coils and be liquefied again through relaxation.

1 sheet of drawings.