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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verfahren zum
Filtern von flüssigen, elektrisch isolierenden und
wärmetransportierenden Medien, die mit Partikeln belastet sind
und sich in einem Behälter mit Leistungselektronik
befinden, in einem geschlossenen Kreislauf und richtet sich
insbesondere auf eine Filtervorrichtung zum Filtern eines
flüssigen, elektrisch isolierenden und
wärmetransportierenden Mediums und auf eine Gruppe von Bauteilen einer
Leistungselektronik, die eine solche Vorrichtung umfaßt (z. B.
FR-A-1 064 730).
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Bei zahlreichen Anwendungen der Elektrotechnik sollen die
Geräte so kompakt wie möglich sein, entweder um ihren
Transport zu vereinfachen, oder um die Systeme, in die sie
eingegliedert werden, nicht zu überladen. Dieses ist z. B.
der Fall bei Leistungselektronikeinrichtungen, die sich an
Bord von Hochgeschwindigkeitszügen befinden.
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Bei elektrotechnischen Geräten findet man verschiedene
Typen von Komponenten oder Untergruppen, die passive Bauteile
oder Halbleiter-Bauteile sein können, und man ist bemüht,
sie so weit wie möglich aneinander anzunähern, um den
Platzbedarf zu reduzieren. In bestimmten Fällen ist die
Annäherung von Komponenten notwendig, um die Erzeugung von
elektromagnetischen Störungen zu verringern, die
Abschirmung zu vereinfachen und folglich die emittierten Störungen
zu begrenzen.
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Die Annäherung von elektrischen Komponenten, die
verschiedenen Spannungen ausgesetzt sind und Wärme abgeben, wirft
jedoch verschiedene Schwierigkeiten auf: außer den rein
mechanischen Problemen und den Problemen eines kompakten
Zusammenbaus, die bereits bekannt sind, treten zwei Typen von
wichtigen Problemen auf.
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Die Kühlung der Komponenten ist um so schwieriger zu
gewährleisten, je größer die Kompaktheit ist: die
abzuführende thermische Energie wird in einem kleineren Volumen
erzeugt und der Abtransport wird durch enge Passagen zwischen
den Komponenten erschwert.
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Das elektrische Feld zwischen den Teilen mit verschiedenen
Potentialen ist umgekehrt proportional zu den Entfernungen.
Darüber hinaus führen die kleinen Abmessungen oft zu Formen
mit engeren Krümmungen und folglich zu lokalen
Verstärkungen des elektrischen Feldes.
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Alle diese Faktoren erhöhen die Risiken eines
dielektrischen Durchschlages, d. h. eines Versagens durch Zündung
eines elektrischen Lichtbogens.
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Eine Lösung des Standes der Technik, um die dielektrische
Spannungsfestigkeit zu verbessern und folglich das Risiko
eines Durchschlages zu beseitigen, besteht darin, die
Komponenten in ein Bad einer elektrisch isolierenden
Flüssigkeit einzutauchen. Eine solche Lösung wird beispielsweise
bei Hochspannungstransformatoren verwendet, die Spulen sind
hier in ein Ölbad getaucht.
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Die Kühlung des Ölbades wird durch eine Zirkulation der
Flüssigkeit in einem geschlossenen Kreislauf gewährleistet,
wobei die Flüssigkeit einen Austauscher durchläuft, durch
den die Wärme nach außen transferiert wird. Dieses
Kühlverfahren eignet sich für Komponenten, die keinen zu großen
thermischen Fluß produzieren.
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Wenn das Gerät Komponenten umfaßt, die eine sehr
leistungsfähige Kühlung benötigen, ist diese Lösung ungenügend. Man
kann eine andere gut bekannte Lösung verwenden: Sieden im
Bad, "Pool-boiling". Die Komponenten werden in eine
elektrisch isolierende Flüssigkeit eingetaucht, die unter dem
Einfluß der Wärme zu sieden beginnen kann. Der Dampf, der
sich bildet, trennt sich von der Flüssigkeit und
kondensiert in einem höherliegenden, peripheren Bereich, aus dem
die Wärme nach außen abgeführt wird. Die durch die
Kondensation entstandene Flüssigkeit kehrt in das Bad zurück.
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Die Lösung mit Sieden im Bad, wie sie oben beschrieben
worden ist, hat einen zweifachen Vorteil:
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- zum einen zeigt die Kühlung eine große Effizienz und die
Abstände der Passagen brauchen nicht groß zu sein;
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- zum anderen ist die dielektrische Festigkeit in einem
Flüssigkeitsbad selbst beim Sieden besser als in der Luft,
was es ermöglicht, die Komponenten kompakter anzuordnen.
Dieses ist um so vorteilhafter, je höher die
Betriebsspannung ist.
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Das Prinzip des Pool-boiling wird selbstverständlich in
zahlreichen Varianten, in Abhängigkeit von den Formen der
Bäder und der Kondensatoren, eingesetzt. Darüber hinaus
sind die Regeln der thermischen Dimensionierung gut
bekannt.
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Diese Lösung mit Sieden im Bad ist für verschiedene
gewerbliche Anwendungen ausgewählt worden.
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Beispielsweise kann man die Hochgeschwindigkeitszüge
anführen, die Behälter mit Leistungselektronik aufweisen, wo das
verfügbare Volumen knapp ist und die installierte
Leistungsdichte hoch ist.
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In diesen Behältern sind passive und aktive Komponenten in
eine Flüssigkeit, herkömmlicherweise vom Typ CFC, getaucht,
die gegenwärtig durch einen Substituenten ersetzt wird, der
ungefähr die gleichen Eigenschaften als elektrischer
Isolator und als Wärmetransportmittel beim Sieden hat.
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Die Risiken eines elektrischen Durchschlages sind
normalerweise dank des Eintauchens der unter Spannung stehenden
Komponenten in das Flüssigkeitsbad mit einer geeigneten
Dimensionierung quasi null.
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Ein Fehler bei der elektrischen Isolierung kann sich jedoch
aufgrund einer langsamen Abnahme der dielektrischen
Qualität der Flüssigkeit bis zu einem Durchschlag durch einen
elektrischen Lichtbogen entwickeln. Dieses Altern ist
gekennzeichnet durch eine langsame Erhöhung der Partikelquote
in der Flüssigkeit. Diese Partikel rühren von sehr kleinen
mechanischen, chemischen, elektrochemischen Abnutzungen der
Oberfläche von verschiedenen Materialien her, die in das
isolierende Flüssigkeitsbad eingetaucht sind. Es ist
bekannt, daß die dielektrische Qualität einer isolierenden
Flüssigkeit von der in ihr enthaltenen Partikelquote
abhängt.
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Die Beseitigung der Partikel bis zum Erreichen einer
geringen Quote ist kein einfaches Problem und kann komplexe und
kostspielige Mittel notwendig machen.
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Bei Leistungskomponenten, die durch Sieden in einem Bad
gekühlt werden, dessen Zuverlässigkeit bezüglich der
elektrischen Isolierung sich fortschreitend dadurch
verschlechtert, daß Partikel bei der Alterung des Materials
freigesetzt werden, kann man eine Lösung durch Abfangen der
Partikel anbieten.
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Im Fall von Behältern mit Leistungselektronik für
Hochgeschwindigkeitsantriebsmaschinen sind die herkömmlichen
Lösungen der Filterung mit Zwangskonvektion in der Praxis
kaum akzeptabel: die Flüssigkeitskreisläufe, die Pumpen,
die Filter sind schlecht angepaßt, kostspielig und wenig
zuverlässig.
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Ein Ziel der Filtervorrichtung zum Filtern eines flüssigen,
isolierenden und wärmetransportierenden Mediums nach der
Erfindung ist auch, die in der Flüssigkeit suspendierten
Partikel abzufangen, so daß die Partikelquote sich
langsamer erhöht oder sogar konstant gehalten wird, wodurch die
Lebensdauer der Geräte erhöht wird und die Zuverlässigkeit
der elektrischen Isolierung konstant gehalten wird.
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Ein anderes Ziel des Filterverfahrens eines flüssigen,
isolierenden Mediums nach der Erfindung ist es, eine einfache,
preiswerte, platzsparende und hochzuverlässige Lösung
vorzuschlagen, um nicht neue Schwachstellen einzuführen.
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Gemäß der Erfindung umfaßt die Filtervorrichtung zumindest
ein Heizmittel, das in einem flüssigen Medium eingetaucht
ist, und zumindest ein eingetauchtes Mittel zum Filtern von
festen Partikeln, das für das flüssige Medium durchlässig
ist, wobei das eingetauchte Mittel zum Filtern sich in
einem natürlichen Konvektionsstrom befindet, wobei die
besagte Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie eine
Hülle umfaßt, die zumindest teilweise in das besagte
flüssige Medium eingetaucht ist, die das eingetauchte
Heizmittel enthält, wobei die Hülle zumindest teilweise aus dem
eingetauchten Mittel zum Filtern der festen Partikel in dem
flüssigen Medium und zumindest aus einer Ausgangsöffnung
besteht.
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Die Filtervorrichtung genügt auch zumindest einem der
folgenden Merkmale:
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- die Ausgangsöffnung taucht aus dem flüssigen Medium auf,
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- die Ausgangsöffnung ist in das besagte flüssige Medium
eingetaucht,
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- die Ausgangsöffnung ist durch ein Mittel zum Filtern der
festen Partikel abgeschlossen, das für das flüssige Medium
oder Gas durchlässig ist.
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Gemäß der Erfindung umfaßt die elektronische
Leistungsbaugruppe einen dichten Behälter, in dessen Innerem
elektronische Leistungsbauteile angeordnet sind, die in einem
flüssigen, elektrisch isolierenden und wärmetransportierenden
Medium baden, dadurch gekennzeichnet, daß sie zumindest
eine Filtervorrichtung, die im Inneren des Behälters
angeordnet ist, umfaßt, um zumindest teilweise unerwünschte feste
Partikel aufzufangen, die in dem flüssigen Medium enthalten
sind.
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Gemäß einem sekundären Merkmal der elektronischen
Leistungsbaugruppe besteht das Heizmittel aus einem oder
mehreren elektronischen Leistungsbauteilen dieser Gruppe.
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Ein Vorteil der Filtervorrichtung eines flüssigen,
elektrisch isolierenden und wärmetransportierenden Mediums nach
der Erfindung besteht darin, daß kein elektromagnetisches
Zusatzteil, wie z. B. ein Motor oder eine Pumpe, eingesetzt
werden muß.
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Ein anderer Vorteil der Filtervorrichtung eines flüssigen,
elektrisch isolierenden und wärmetransportierenden Mediums
nach der Erfindung besteht darin, daß sie kein einziges
sich drehendes Element umfaßt, daß sie aus einer kleinen
Zahl statischer Komponenten besteht, deren Zuverlässigkeit
garantiert ist und deren Kosten sehr marginal sind.
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Mit anderen Worten liefert bei einer großen Anzahl von
möglichen Konfigurationen das in-situ-Filtern durch natürliche
zweiphasige Konvektion eine einfache, wenig kostenintensive
und an den Aufbau der Behälter gut angepaßte Lösung.
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Ein anderer Vorteil der Filtervorrichtung eines flüssigen,
elektrisch isolierenden und wärmetransportierenden Mediums
nach der Erfindung ist, daß zwei wesentliche Elemente
eventuell schon vorher in dem Bad existierende Komponenten sein
können.
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Andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung
erscheinen beim Lesen der Beschreibung des Verfahrens und der
Vorrichtung zum Filtern eines flüssigen, elektrisch
isolierenden und wärmetransportierenden Mediums, wobei die
Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen erfolgt, in denen:
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- die Fig. 1 das Prinzip des Filterverfahrens eines
isolierenden und wärmetransportierenden flüssigen Mediums nach
der Erfindung illustriert,
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- die Fig. 2 bis 12 verschiedene Ausführungsformen von
Filtervorrichtungen zur Anwendung des Filterverfahrens
eines flüssigen, isolierenden und wärmetransportierenden
Mediums nach der Erfindung zeigen.
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Die Fig. 1 stellt eine erste Ausführungsform einer
Filtervorrichtung eines flüssigen, elektrisch isolierenden und
wärmetransportierenden Mediums vor, und erläutert das
Prinzip des Filterverfahrens eines flüssigen, isolierenden und
wärmetransportierenden Mediums nach der Erfindung.
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Die Vorrichtung zum Filtern eines flüssigen, elektrisch
isolierenden und wärmetransportierenden Mediums nach der
Erfindung umfaßt ein Mittel zum Heizen 1 des flüssigen
Mediums 2 und ein Mittel zum Filtern 3 von festen Partikeln
4, die in dem flüssigen Medium enthalten sind.
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Die Anordnung von Heizmittel 1 und Mittel zum Filtern 3 ist
in das flüssige Medium eingetaucht, welches sich in einem
Behälter 6 befindet,
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Das Heizmittel 1 hat zur Aufgabe, die Flüssigkeit, mit der
sie in Kontakt steht, zum Sieden zu bringen.
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Das Heizmittel besteht beispielsweise aus einem einfachen
Widerstand mit sehr geringer Leistung bezogen auf die
Leistung des betriebssicher zu machenden Geräts.
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Das Mittel zum Filtern der festen Partikel des flüssigen
Mediums hat die Rückhaltung der Partikel zur Aufgabe.
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Dieses Mittel zum Filtern der festen Partikel des flüssigen
Mediums setzt sich beispielsweise aus einem oder mehreren
der folgenden Elemente zusammen: Ablenkblech, Gitter,
wabenförmiges oder poröses Material, Filtermaterial.
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Das Mittel zum Filtern der festen Partikel des flüssigen
Mediums hat vorzugsweise ein sehr kleines Volumen.
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Die relative Anordnung zwischen dem Heizmittel und dem
Mittel zum Filtern der festen Partikel des flüssigen Mediums
ist z. B. derart, daß
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- das flüssige Medium sich beim Sieden in ein Gas 5
umwandelt. Dieses Gas breitet sich spontan in dem oberen Bereich
des Behälters 6 aus, wo es sich mit der wesentlich größeren
Menge des gleichen Gases vermischt, das für die gewöhnliche
Funktion des Gerätes verwendet wird. Es kondensiert und
kehrt in das Bad zurück, ohne zusätzliche Mittel zu denen,
die für die gewöhnliche Funktion des Gerätes schon vorher
vorhanden waren, zu benötigen.
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- die siedende Flüssigkeit um das heizende Element herum
in Folge ihres Übergangs in den gasförmigen Zustand
folglich fortschreitend verschwindet. Sie wird durch einen Teil
7 der Flüssigkeit ersetzt, die einfach durch die natürliche
Konvektion ankommt.
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- die Flüssigkeit, die durch einfache natürliche
Konvektion ankommt, aus dem Bad über ein oder mehrere Rohrleitungen
14 kommt und das Mittel zum Filtern der festen Partikel
durchquert.
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Gemäß dem Verfahren und der Vorrichtung zum Filtern eines
flüssigen, elektrisch isolierenden und
wärmetransportierenden Mediums nach der Erfindung passiert ein gewisser
Flüssigkeitsfluß des Bades, der eine gegebene Partikelquote
enthält, das Mittel zum Filtern, welches die festen
Partikel zurückhält.
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Dieser Flüssigkeitsfluß wird durch das Heizmittel in Gas
umgewandelt. Dieses Gas kondensiert im oberen Bereich des
Bades und die entsprechende Flüssigkeit kommt befreit von
den festen Partikeln in das Bad zurück.
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Es genügt, wenn die Heizmittel, die den Flüssigkeitsfluß
gewährleisten, so bemessen sind, daß dieser ausreicht,
damit die Menge an in einem gegebenen Betriebszeitraum
gefangenen Partikeln zumindest gleich einer Menge von durch die
Alterung während eines entsprechenden Zeitraumes neu
erzeugten Partikeln ist.
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Da die Menge der erzeugten Partikel klein ist, selbst unter
Berücksichtigung der gesamten Lebensdauer des Geräts,
können die Abmessungen der Mittel zum Filtern der festen
Partikel klein sein, selbst bei einer großen Sicherheitsmarge.
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Man kann sich nun eine unendliche Menge von relativen
Anordnungen zwischen dem Heizmittel und dem Mittel zum
Filtern von festen Partikeln vorstellen, sowie eine Menge von
Formen für jedes dieser zwei Mittel und eine Menge von
Verbindungen miteinander.
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Die Fig. 2 bis 12 zeigen verschiedene Ausführungsformen
von Filtervorrichtungen zur Anwendung des Filterverfahrens
eines flüssigen, isolierenden und wärmetransportierenden
flüssigen Mediums nach der Erfindung.
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Ganz allgemein werden in der Beschreibung der Fig. 2 bis
12 unter Röhre alle Hüllen oder alle Mittel verstanden, in
deren Innerem oder in deren Nähe sich das Sieden des
flüssigen, isolierenden und wärmetransportierenden Mediums
ereignet.
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Der obere Teil der Röhre umfaßt eine Gasaustrittsöffnung
12.
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Der Boden der Röhre ist aus einem porösen Material 9
gebildet und stellt das Mittel zum Filtern der festen Partikel
dar.
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Das Heizmittel besteht aus einem Heizwiderstand 10, der in
der Röhre angeordnet ist.
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Die Fig. 3 zeigt einen Aufbau, wo das Mittel zum Filtern
der festen Partikel in einer vertikalen Röhre 8 angeordnet
ist, die seitlich angebrachte
Flüssigkeitseintrittsöffnungen 11 umfaßt.
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Der obere Teil der Röhre umfaßt eine Gasaustrittsöffnung
12.
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Das Mittel zum Filtern der festen Partikel 4 besteht aus
einem porösen Material 9, das das Innere der perforierten
Röhre vor den Eingangsöffnungen teilweise oder ganz
abdeckt.
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Ein Heizwiderstand 10 ist in der Röhre angeordnet.
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Fig. 4 zeigt einen Aufbau, wo das Mittel zum Filtern der
festen Partikel in einer vertikalen Gitterröhre 8
angeordnet ist.
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Der obere Teil der Röhre umfaßt eine Gasaustrittsöffnung
12.
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Das Innere der Röhre ist mit einem porösen Material 9
abgedeckt, wobei dieses Material das Mittel zum Filtern der
festen Partikel bildet.
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Ein Heizwiderstand 10 ist in der Röhre angeordnet.
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Fig. 5 zeigt einen Aufbau, wo das Mittel zum Filtern der
festen Partikel in einer vertikalen Gitterröhre 8
angeordnet ist, die aus zwei Schichten 8a und 8b besteht.
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Der obere Teil der Röhre umfaßt eine Gasaustrittsöffnung
12.
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Das Mittel zum Filtern der festen Partikel 4 besteht aus
einem porösen Material 9, das zwischen diesen zwei
Gitterschichten angeordnet ist.
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Ein Heizwiderstand 10 ist in der Röhre angeordnet.
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Die Fig. 6 zeigt einen Aufbau, wo das Mittel zum Filtern
der festen Partikel 4 aus einer vertikalen Röhre 8 aus
einem porösen Material 9 besteht, die einen Heizwiderstand 10
enthält.
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Die Fig. 7 zeigt einen ähnlichen Aufbau wie der in Fig.
2, aber mit zwei Unterschieden: zum einen ist die
Filtervorrichtung ganz eingetaucht, zum anderen besteht das
Mittel zum Filtern der festen Partikel aus einem porösen
Material 9, das im oberen Bereich und im unteren Bereich der
Röhre 8 angeordnet ist.
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Bei einer solchen Ausführungsform tritt das erzeugte Gas
aus, indem es das poröse Material 9 durchquert, das im
oberen Bereich der Röhre angeordnet ist.
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Alle in den Fig. 2, 3, 4, 5 oder 6 dargestellten
Ausführungsformen können in gleicher Weise ganz eingetaucht sein.
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Die Fig. 8 zeigt eine Filtervorrichtung, die horizontal
angeordnet und ganz eingetaucht ist. Der Heizwiderstand 10
ist von einer Röhre aus porösem Material 9 umgeben. Das
poröse Material filtert die Flüssigkeit, die durch den
unteren Teil oder den seitlichen Teil der Röhre eintritt, und
läßt das Gas im oberen Bereich der Röhre austreten.
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Diese Ausführungsform kann in verschiedenen Varianten
realisiert werden, und zwar: vollständig poröse Röhre,
perforierte Röhre und poröse Verkleidung, Röhre mit zumindest
einer Gitterlage.
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Die Fig. 9 und 10 zeigen horizontale Ausführungsformen,
wo die Röhre 8 den Heizwiderstand 10 nicht vollständig
umgibt.
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Der obere Teil des Mittels zum Filtern der festen Partikel,
das oberhalb des Heizmittels angeordnet ist, umfaßt eine
Austrittsöffnung 12.
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Bei diesen Ausführungsformen durchläuft nicht die
Gesamtheit des Flüssigkeitsflusses das Mittel zum Filtern der
festen Partikel. Eine größere Heizleistung ist von daher
notwendig, damit der gefilterte Teil des Flusses der
Flüssigkeit weiterhin ausreichend ist. Die notwendige Heizleistung
ist um so größer, je größer die der Flüssigkeit belassenen
direkte Passage im Vergleich zur Passage durch das Mittel
zum Filtern ist.
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Die Fig. 11 ist den Fig. 9 und 10 ähnlich. Die direkte
Passage ist größer als die in den Fig. 9 und 11
dargestellte Passage.
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Es resultiert aus dieser Ausführungsform, daß die
Heizleistung zwischen 10 bis 100mal größer sein muß als in den
vorhergehenden Ausführungsformen. Es ist infolgedessen
vorteilhaft, nicht mehr einen Heizwiderstand, sondern eine
oder mehrere Komponenten 13 zu nutzen, die in das Bad
eingetaucht sind, die schon vorher existierten, die ohnehin
gekühlt werden müssen und die einen beträchtlichen
Flüssigkeitsfluß verdampfen.
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Diese sehr einfache Ausführungsform besteht folglich darin,
unterhalb von Leistungskomponenten, die in dem Bad
existieren, zumindest ein Mittel zum Filtern von festen Partikeln
anzuordnen. Diese Mittel bestehen aus einer oder mehreren
Materiallagen: Ablenkbleche, Gitter, poröses Material. Der
intensive Fluß, der von den vorher existierenden
Komponenten hervorgerufen wird, die durch das Sieden dieses
Flüssigkeitsflusses bei natürlicher Konvektion gekühlt werden,
umfließt zum größten Teil das Mittel zum Filtern der festen
Partikel. Eine solche Ausführungsform genügt dennoch, um
einen im Verhältnis kleinen, aber trotzdem genügenden Fluß
durch das Mittel zum Filtern der festen Partikel hindurch
anzutreiben.
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Die Fig. 12 zeigt ein anderes Beispiel einer Anordnung,
die der Ausführungsform, wie sie in Fig. 2 dargestellt
ist, ähnelt.
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Das Mittel zum Filtern 3 der festen Partikel 4 ist mit
Abstand zur Röhre 4 angeordnet, die das Heizmittel 10
enthält. Das Mittel zum Filtern der festen Partikel und das
Mittel zum Heizen sind über zumindest eine Rohrleitung 14
verbunden.
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Die unteren Tabellen 1 und 2 geben beispielhaft die
Hauptabmessungen der Filtervorrichtungen an, wie sie in
Fig. 2 bzw. 11 dargestellt sind.
Tabelle 1
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Durchmesser der Röhre: 20 mm
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Höhe der Röhre: 100 mm
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Durchmesser des Filters 20 mm
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Dicke des Filters: 2 mm
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nominale Type: 5 um
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Durchmesser des Widerstandes: 6 mm
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Höhe des Widerstandes: 20 mm
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Leistung des Widerstandes: 20 W
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theoretischer Durchfluß der Flüssigkeit: 450 cm³/h
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minimal genügender Durchfluß: 150 cm³/h
Tabelle 2
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Vorexistierende Komponente: GTO mit 1000 W Heizleistung
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Entfernung zwischen der Komponente und dem
filternden Mittel: 5 mm
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Aufbau des Filters: eine poröse Schicht zwischen zwei
Gittern
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Oberfläche: 100 cm²
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Dicke: 1 mm
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totaler Flüssigkeitsdurchfluß: 22 dm³/h
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partieller Nutzdurchfluß: 0,5 dm³/h
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minimal genügender Durchfluß: 0,15 dm³/h