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Kühl einrichtung zur kombinierten Kühlung von Luft und
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einem flüssigen Medium mit einem gemeinsamen Kühlmedium Die Erfindung
betrifft oine Kühleinrichtung zur kombinierten Kühlung von Luft und einem flüssigen
Medium mit einem gemeinsamen Kühlmedium.
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Im Handel erhältliche Kühleinrichtungen sind nur zur Kühlung eines
einzigen Mediums geeignet. Es gibt jedoch Anwendungsfälle, bei denen in einem Gerät
sowohl ein gastörmiges Medium, beispielsweise Luft als auch ein flüssiges Medium,
beispielsweise Wasser gekühlt werden muß. Bei Laser-Anlagen wird beispielsweise
der Laser selbst mit Wasser gekühlt. Eine derartige Kühleinrichtung ist z.B. in
der DE-PS 15 64 685 erläutert. Dabei wird das Kühlwasser durch ein den Laserstab
enthaltendes inneres Rohr geführt und nach seiner Entspannung durch ein äußeres
Rohr abgeführt. Da das verwendete Kühlwasser hochreRn sein muß, wird im allgemeinen
ein zweiter Kühikreis zur Rückkühlung vorgesehen.
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Da zum Betrieb des Lasers außerden eine Vielzahl von in einem Geräteschrank
untergebrachten elektrischen Bauelementen erforderlich ist, muß such die Luft in
diesem Geräteschrank gekühlt werden. Dies kann beispielsweise durch einen in der
DE-OS 25 19 694 beschriebenen Lamellen-Rohr-Wärmetauscher erfolgen. Dabei ist ein
Rohr an der Außenseite mit mehreren aufgelöteten Lamellen versehen, die von der
zu kühlenden Luft umströmt werden. durch das Rohr selbst fließt beispielsweise Kühlwasser.
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Bisher war also die Kühlung von Luft und einem flüssigen Medium nur
mit zwei gesonderten Wärmetauschern möglich.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Kühleinrichtung der eingangs
genannten Art so auszubilden, daß sie zur kombinierten Kühlung von Luft und einem
flüssigen Medium geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kühleinrichtung
mindestens ein Kühlelement aufweist, das aus zwei ineinandergesteckten Rohren zusammengesetzt
ist, daß im inneren Rohr bzw. im Zwischenraum zwischen beiden Rohren das Kühlmedium
bzw. das flüssige Medium fließt und daß das äußere Rohr Rippen aufweist, die von
der zu kühlenden Luft umströmt sind.
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Damit wird mit einem einzigen Kühlelement mit einfachem konstruktivem
Aufbau sowohl die Luft als auch das flüssige Medium durch das Kühlmedium gekühlt.
Dabei kann entweder das Kühlmedium im inneren Rohr und das flüssige Medium im Zwischenraum
zwischen beiden Rohren oder das flüssige Medium im inneren Rohr und das KUhlmedium
im Zwischenraum zwischen beiden Rohren fließen.
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Wenn das Kühlmedium im Zwischenraum zwischen beiden Rohren enthalten
ist, so wird sowohl die Luft als auch das flüssige Medium direkt gekühlt und es
ist kein direkter Wärmeaustausch zwischen den beiden zu kühlenden Medien möglich.
Das Kühlmedium wird man dann durch das innere Rohr fließen lassen, wenn ein Wämneaustausch
zwischen der Luft und dem flüssigen Medium erwünscht ist, weil z.B. eines dieser
Medien bei bestimmten Betriebszuständen das andere kühlt. Der Kreislauf für das
Kühlmedium wird dann nur bei Bedarf zugeschaltet.
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Vorteilhafterweise kann die Kühleinrichtung aus mehreren, mit Verbindungsstücken
verbundenen Kühlelementen zusammengesetzt sein, wobei Jedes Verbindungsstück ein
erstes Sackloch aufweist, in dem das äußere Rohr flüssigkeitsdicht befestigt ist,
wobei Jedes Verbindungsstrück im Boden des ersten Sacklochs ein zum ersten Sackloch
konzentrisches zweites Sackloch mit kleinerem Durchmesser aufweist, in dem das innere
Rohr flüssigkeitsdicht befestigt ist und wobei jedes Sackloch mindestens eine Bohrung
aufweist, die mit der entsprechenden Bohrung dea benachbarten Verbindungsstücks
flüssigkeitsdicht verbunden ist. Damit können mit einheitlichen Verbindungsstücken
größere Kühleinrichtungen aus mehreren Kühlelementen zusammengesetzt sein.
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Zweckmäßigerweise verlaufen die Bohrungen Jeweils senkrecht zu den
Sacklchern, wobei Jeweils zwei Verbindungsstücke so zusammengesetzt sind, daß die
damit verbundenen Kühlelemente parallel liegen. Das Kühlmedium hat damit einen mäanderförmigen
Verlauf, wobei auf engem Raum besonders viele Kühlelemente untergebracht werden
können, so daß eine intensive Kühlung erreicht wird.
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Zweckmäßigerweise ist zur flüssigkeitsdichten Befestigung zwischen
Jedem Rohr und dem zugehörigem Sackloch ein 0-Ring eingelegt. Dieser D Ring ermöglicht
eine dichte Verbindung ohne Verschraubung, so daß die gesamte Kühleinrichtung im
Stecksystem aufgebaut werden kann.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der
Figuren "e bis 5a er erläutert.
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Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung
in Schnittdarstellung. In einem äußeren Rohr Ia ist konzentrisch ein inneres Rohr
Ib mit kleinerem Durchmesser angeordnet. Das äußere Rohr 1a trägt an seiner Außenseite
Kühlrippen Ic. Das innere Rohr Ib ist von dem Kühlmedium, das beispielsweise Wasser
sein kann durchflossen. Im Zwischenraum zwischen den beiden Rohren Ia und lb fließt
das zu kühlende flüssige Medium, beispielsweise ebenfalls Wasser. Dabei ist die
Flußrichtung vom flüssigem Medium und Kühlmedium zweckmäßigerweise entgegengesetzt
gerichtet, d.h.
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die beiden Medien fließen in Gegenstrom. Die Kühlrippen 1c des äußeren
Rohrs la sind von der zu kühlenden Luft umströmt.
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Bei dieser Anordnung wird ein Wärmeaustausch zwischen der Luft und
dem flüssigen Medium erfolgen. Beispielsweise bei Laseranlagen wird über den mit
dem flüssigen Medium gekühlte Laser selbst bei niedrigen Umgebungstemperaturen verhältnismäßig
viel Wärme abgeführt, während die Wärmeabfuhr aus dem die elektrischen Bauteile
zum Betrieb des Lasers enthaltenden Schrank gering ist. Wenn man daher die beschriebene
Kühleinrichtung im Schrank unterbringt und das zur Kühlung des Lasers dienende flüssige
Medium zuführt, ist es bis zu einer gewissen Außentemperatur häufig möglich, den
Laser ohne zusätzliche Kühlung zu betreiben, wobei in diesem Fall die Schrankluft
durch das den Laser durchströmende flüssige Medium gekühlt wird. Dabei trägt die
Wärmekapazität des Schrankes zu einer Vergleichmäßigung der Temperatur des flüssigen
Mediums bei. Erst bei höherer Umgebungstemperatur oder nach längerer Betriebszeit
ist die Kühlung huber ein gegesondertes Kühlmedium, dessen Kreislauf in diesem Fall
eingeschaltet wird, erforderlich. In diesem Fall wird bei der dargestellten Anordnung
das flüssige Medium zwischen dem inneren Rohr 7b und dem äußeren Rohr 1a
durch
das im inneren Rohr Ib fließende Kühlmedium direkt gekühlt, während die Kühlung
der Luft mittelbar über das flüssige Medium erfolgt.
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Selbstverständlich ist es9 wie bereits eingangs erwähnt, auh möglich,
das flüssige Medium im inneren Rohr Ib und das Kühlmedium im Zwischenraum zwischen
dem äußeren Rohr 1a und dem inneren Rohr 1b strömen zu lassen. In diesem Fall erfolgt
kein direkter Wärmeaustausch zwischen dem zu kühlenden Medium und der Luft und beide
Medien werden direkt gekühlt.
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Um die K Kühlwirkung zu erhöhen, können mehrere KUhlelemente 1, 1'
zu einer Kühleinrichtung zusammengesetzt werden. Die Verbindung der einzelnen Kühlelemente
1, 1' erfolgt über Verbindungsstücke 2, 2', die Jeweils auf beide Enden der Kühlelemente
1, 1' aufgesetzt sind. Dabei weist jedes Verbindungselement 2, 2' ein Sackloch 2a
auf, in das das äußere Rohr Ia eingesteckt ist. Zur Abdichtung der Rohreinführung
ist am inneren Umfang des Sacklochs 2a eine Ringnut vorgesehen, in die ein 0-Ring
2e eingelegt ist. Damit wird das äußere Rohr 1a ohne Vrschraubung dicht mit dem
Sackloch 2a verbunden. In Boden des Sacklochs 2a ist konzentrisch ein weiteres Sackloch
2b mit kleinerem Durchmesser angeordnet, in daß das innere Rohr Ib gesteckt ist.
Dabei weist das Sackloch 2b ebenfalls eine Ringnut auf, in die ein O-Ring 2f gelegt
ist, so daß das innere Rohr dicht mit dem Sackloch 2b verbunden ist.
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Damit sind gleichzeitig auch die beiden Sacklöcher 2a und 2b gegeneinander
abgedichtet. Senkrecht zu den Sacklöchern 2a und 2b sind in diese mUndende Bohrungen
2c bzw. 2d vorgesehene
Mit dem Verbindungsstück 2 ist das identisch
aufgebaute Verbindungsstück 2' so verbunden, daß die entsprechenden Bohrungen 2c,
2c' bzw. 2d, 2d' aufeinandertreffen.
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Zwischen den beiden Verbindungsstücken 2 und 2' ist eine Dichtung
vorgesehen, die beispielsweise aus den die Bohrungen 2c, 2c' bzw. 2d, 2d' umgebenden
0-Ringen 2g bzw. 2h sowie einer eingelegten Platte 2i bestehen kann. Damit besteht
also eine dichte Verbindung zwischen dem inneren Rohr Ib des Kühlelements 1 und
dem inneren Rohr Ib' des Kühlelements 1' über die Bohrungen 2d und 2d' der Verbindungsstücke
2 und 2'. Damit kann das flüssig. Medium von Ktlhlelement zu Kühlelement weiterfließen.
Ebenso besteht eine Verbindung für das zwischen den Rohren Is und Ib bzw. 1a' und
1b' fließende Kühlmedium über die Bohrungen 2c und 2c'. Die Kreisläufe für das zu
kühlende Medium und das Kühlmedium sind dabei gegeneinander abgedichtet.
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Mit den beschriebenen, identisch aufgebauten Verbindungsstücken können
beliebig viele Kühlelemente aneinandergereiht werden, wobei ein mäanderföriniger
Aufbau den geringsten Platzbedarf ergibt. Durch dieses bausteinartige System kann
die Kühl einrichtung an den Kühlbedarf eines Geräts angepaßt werden, so daß man
ein breites Leistungsspektrum mit wenigen standardisierten Kühlelementen und Verbindungsstücken
abdecken kann.
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Der beschriebene Aufbau der Kühleinrichtung ermöglicht ein einfaches
Einstecken der Rohre 7a und Ib in die Verbindungsstücke 2 ohne Verschraubung. Lediglich
zwei benachbarte Verbindungsstücke 2 werden über eine in Figur 1 der Ubersichtlichkeit
wegen nicht dargestellte Schraubverbindung miteinander verbunden. Um die mechanische
Stabilität der gesamten Kühleinrichtung sicherzustellen, kann diese z.B. zwischen
zwei Gehäuse-
wände 3a und 3b eingefügt werden, an denen die Verbindungsstucke
2 mit ihren Außenflächen anliegen und z.B. verschraubt sind. Damit werden die Rohre
1a und Ib sicher in den Verbindungsstücken 2 gehalten.
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Mit denselben Elementen, nämlich Kühlelementen 1 und Verbindungsstücken
2können bei höherem Kühlleistungsbedarf nicht nur ebene, sondern auch räumliche
Konfigurationen hergestellt werden, wie dies beispielsweise in Figur 2 dargestellt
ist. Dabei ist eine größere Anzahl von Kühlelementen 1 in zwei Ebenen 4a und 4b
parallel zueinander angeordnet. Dabei sind an einer Stirnseite der Kühlelemente
2 jeweils zwei Kühlelemente der Ebenen 4a und 4b und auf der anderen Stirnseite
Jeweils zwei benachbarte Kühlelemente derselben Ebene 4a bzw. 4b verbunden, so daß
geschlössene Kanäle für das flUssige Medium und das Kühlmedium entstehen.
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Eine noch.größere Packungsdichte für die Kühlelemente 1 wird erreicht,
wenn man die Kühlelemente 1 der Ebenen 4a und 4b gegeneinander versetzt anordnet,
wobei Jedes Kühl element der Ebene 4b zwischen Je zwei Kühl elementen der Ebene
4a liegt. Damit kann der Abstand zwischen den Ebenen 4a und 4b geringer werden.
Auch der Aufbau nach Figur 3 könnte mit den Verbindungsstücken 2 nach Figur 1 realisiert
werden. Wenn man5 wie in Figur 3 dargestellt, die Verbindungsstücke 2 seitlich an
Gehäuseflächen 3c und 3d anschließen lassen will, so müssen lediglich die Außenflächen
der Verbindungsstücke 2 abgeschragt werden.
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3 Figuren 4 Patentansprüche
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