DE916073C

DE916073C - Arrangement for the dissipation of the lost heat from electrical equipment

Info

Publication number: DE916073C
Application number: DES4679D
Authority: DE
Inventors: Emerson Venable
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1940-09-27
Filing date: 1941-09-25
Publication date: 1954-08-02

Description

Anordnung zur Ableitung der Verlustwärme aus elektrischen Apparaten Die Erfindung bezieht sich auf in Behältern untergebrachte elektrische Apparate, bei denen Mittel zur Abführung der betriebsmäßig auftretenden Wärme vorgesehen sind. Bekanntlich muß aus elektrischen Apparaten, die keine bewegten Teile besitzen, z. B. Transformatoren, Drosselspulen usw., die entstehende Wärme durch Flüssigkeits- bzw. Luftkühlung abgeführt werden. Da die verwendete Flüssigkeit und Luft schlechte Wärmeleiter sind, muß für eine entsprechende Bewegung dieser Medien gesorgt werden, um diese wieder an außenliegenden Apparateteilen oder in besonderen Kühlanlagen abzukühlen. Bei der Luftkühlung kann dabei die Frischluft unmittelbar an den aktiven Teil des Apparates herangeführt werden. Sie kann aber auch nur im Behälterinneren umgewälzt werden, wenn die Möglichkeit besteht, diese wieder durch äußere Kühleinrichtungen rückzukühlen. Die genannten Kühlungsarten elektrischer Apparate erfordern komplizierte zusätzliche Einrichtungen, wie Kühlelemente und Antriebsorgane für das Kühlmedium, die den Apparat verteuern. Nachteilig ist dabei noch weiter, daß bei Versagen der Einrichtung der Apparat gefährdet wird. Bei der Ölkühlung ist noch ungünstig, daß das Öl im Laufe der Zeit, insbesondere bei Sauerstoffzutritt, sich verschlechtert und damit die Kühlwirkung heruntersetzt und so den Apparat gefährdet. Weiter nachteilig bei der Ölkühlung ist die leichte Brennbarkeit der meisten Isolieröle. Dies kann bei Lichtbogenbildung leicht zu Explosionen und Zerstörung der ganzen Apparate führen. Zur Beseitigung der Explosionsgefahr wurden die elektrischen Apparate auch schon mit unbrennbaren Ölen, z. B. halogenierten Kohlenwasserstoffölen, gefüllt. Diese sind aber teuer und stark verflüchtigend. Außerdem zersetzen sie sich rasch und scheiden für die Umgebung giftige Gase aus. Sie können also nur in vollkommen geschlossenen Gefäßen benutzt werden. Bei der Luftkühlung ist noch unangenehm, daß für den Kühlluftdurchtritt entsprechend bemessene Strömungswege frei gelassen werden müssen. Dies ist aber gleichbedeutend mit einer Vergrößerung der Apparatgesamtabmessungen.Arrangement for dissipating heat loss from electrical equipment The invention relates to electrical apparatus housed in containers, in which means are provided for the dissipation of the operationally occurring heat. As is known, from electrical apparatus that have no moving parts, e.g. B. transformers, reactors, etc., the heat generated by liquid or air cooling can be removed. Because the liquid and air used are bad Are heat conductors, an appropriate movement of these media must be ensured, around these again on external parts of the apparatus or in special cooling systems to cool off. In the case of air cooling, the fresh air can pass directly to the active Part of the apparatus are brought up. But you can also only inside the container be circulated, if possible, this again by external cooling devices to cool back. The aforementioned types of cooling of electrical equipment require complicated ones additional equipment, such as cooling elements and drive elements for the cooling medium, which make the device more expensive. Another disadvantage is that if the failure occurs Establishment of the apparatus is endangered. In the case of oil cooling, it is still unfavorable that the oil deteriorates over time, especially when exposed to oxygen and thus reduces the cooling effect and so the Apparatus endangered. Another disadvantage of oil cooling is the easy flammability of most insulating oils. If arcing, this can easily lead to explosions and destruction all over Leading apparatus. To eliminate the risk of explosion, the electrical apparatus even with non-flammable oils, e.g. B. halogenated hydrocarbon oils filled. However, these are expensive and highly volatile. They also decompose quickly and emit gases that are toxic to the environment. So you can only be in perfect closed vessels. When it comes to air cooling, it is uncomfortable that appropriately dimensioned flow paths are left free for the passage of cooling air have to. However, this is synonymous with an increase in the overall dimensions of the apparatus.

Es wurde auch bereits vorgeschlagen, zur Ableitung der Verlustwärme aus elektrischen Apparaten, insbesondere solchen der geschlossenen Bauart, kristalline Stoffe großer M'ärmeleitfäbigkeit und hohem dielektrischem Wert zu verwenden. Mit diesen Stoffen wurde das Apparategehäuse so ausgefüllt, daß sie sowohl am aktiven Teil als auch an den Behälterwänden dicht anliegen. Um bei den bisher verwendeten kristallinen Stoffen, die durchweg aus Quarzkörner oder Quarzsand bestanden, die umgebende, hinsichtlich der Wärmeableitung schädliche Lufthaut zu beseitigen, wurden diese Stoffe meist zusammen mit einem Bindemittel, wie Öl, Asphalt u. dgl., benutzt, weil bei ihnen keine Flächenberührung, sondern nur eine demgegenüber ungünstigere Punktberührung der Kristalle erreichbar war.It has also already been proposed to dissipate the heat loss from electrical apparatus, especially those of the closed type, crystalline To use materials with a high degree of conductivity and a high dielectric value. With The apparatus housing was filled with these substances in such a way that they were both active Part as well as on the container walls. To with the previously used crystalline substances, which consisted entirely of quartz grains or quartz sand, the to remove surrounding air skin, which is harmful in terms of heat dissipation these substances are usually used together with a binding agent such as oil, asphalt, etc., because with them there is no surface contact, but only a less favorable one Point contact of the crystals was achievable.

Hier schafft die Erfindung Abhilfe, indem vorgeschlagen wird, als Füllstoffe Kristalle aus Salzen oder Mineralien zu verwenden, z. B. aus der Gruppe Calciumfluorid, Natriumchlorid, Natriumfluorid, Kaliumchlorid, Kaliumfluorid, und diese Stoffe in geordneter, vorzugsweise lückenloser Schichtung in die Zwischenräume sowohl des aktiven Teils als auch in den Zwischenraum zwischen diesem und den Behälterwänden einzufüllen.The invention remedies this by proposing as Fillers to use crystals from salts or minerals, e.g. B. from the group Calcium fluoride, sodium chloride, sodium fluoride, potassium chloride, potassium fluoride, and these substances in an orderly, preferably seamless layering in the spaces both of the active part and in the space between this and the container walls to fill in.

An Hand der Zeichnung, die in Fig. i einen Vertikalschnitt und in Fig.2 einen vergrößerten Teilquerschnitt und in Fig.2 einen vergrößerten Teilquerschnitt durch einen gemäß der Erfindung ausgeführten Transformator und in Fig. 3 das Verhalten der erfindungsgemäßen Stoffe bei Erhitzung und Abkühlung in Gegenüberstellung zu zwei anderen gebräuchlichen Isoliermitteln zeigt, soll die Erfindung näher erläutert werden.With reference to the drawing, which is a vertical section in Fig. I and in FIG. 2 shows an enlarged partial cross section and FIG. 2 shows an enlarged partial cross section by a transformer designed according to the invention and in FIG. 3 the behavior of the substances according to the invention when heated and cooled in comparison to shows two other common insulating means, the invention is explained in more detail will.

In Fig. i ist io eiri Transformator, dessen Behälter aus dem Bodenteil 12, dem mit dem Boden bei 18 verschweißten Seitenteil 14 und dem Deckel 16 besteht, der gleichfalls bei 18 mit dem Teil 14 verschweißt ist. Der Behälter ist dadurch vollkommen dicht verschlossen. Im Deckel 16 ist eine Öffnung 2i vorgesehen, die durch einen Deckel 2o unter Verwendung geeigneter Dichtungsmittel dicht verschlossen ist. Im Deckel 16 sitzen weiter die beiden Durchführungen 22 und 24. Diese sind über die Leiter 26 mit den Wicklungen verbunden, die aus je einer Anzahl von Scheibenspulen 32 bestehen und auf den beiden Schenkeln des liegend im Kessel angeordneten Eisenkerns 30 aufgebracht sind. Zwischen Eisenkern und Wicklung ist ein Isoliermantel 36 aufgebracht. 34 ist eine dünne Isolation der einzelnen Wicklungsspulen 32.Io is a transformer, the container of which consists of the bottom part 12, the side part 14 welded to the bottom at 18, and the cover 16 which is also welded to part 14 at 18. The container is thus completely sealed. In the cover 16 an opening 2i is provided which is tightly closed by a cover 2o using suitable sealing means. The two bushings 22 and 24 are also located in the cover 16. These are connected via the conductors 26 to the windings, which each consist of a number of disc coils 32 and are attached to the two legs of the iron core 30 arranged horizontally in the tank. An insulating jacket 36 is applied between the iron core and the winding. 34 is a thin insulation of the individual winding coils 32.

Mit 40 ist ein Füllmaterial angedeutet, das den Apparatbehälter zum größten Teil ausfüllt, zumindest aber den ganzen aktiven Teil umschließt und alle Zwischenräume sowohl im aktiven Teil selbst als auch in den Räumen zwischen ihm und den Behälterwandungen ausfüllt. Das Füllmaterial wird nach Einbringen des aus Wicklungen 32 und Eisenkern 30 bestehenden aktiven Teils und nach Vornahme der Wicklungsanschlüsse an die Durchführungen 22 und 24 sowie nach Aufschweißen des Deckels 16 durch die im Deckel vorgesehene Öffnung 21 in den Behälter eingebracht. Das Füllmaterial selbst besteht aus kristallinen Stoffen mit glatten Flächen und einfachen geometrischen Formen. Es besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit und auch gute elektrische Eigenschaften. Es kann daher gleichzeitig zur Wärmeableitung von aktiven Teilen als auch zur Isolation benutzt werden. Als besonders geeignet erweisen sich Stoffe mit Würfelform oder ähnlicher Gestalt, die bei sorgfältiger Schichtung eine möglichst lückenlose Füllung der freien Behälterräume ergeben und damit einen großen Füllfaktor besitzen. Das Anliegen der Kristalle am aktiven Teil sowie das Anliegen der Kristalle aneinander und an den Behälterwänden geschieht bei den Kristallen mit großen Flächen, ,nenn diese sorgfältig, d. h. lückenlos geschichtet sind. Eine gute Schichtung ergeben Kristalle mit rechteckigen Kanten, wie dies bei 37 in Fig. i angedeutet und in Fig.2 in vergrößertem Maßstab besonders herausgezeichnet ist. Die Fig. 2 läßt erkennen, daß in die Zwischenräume zwischen den einzelnen Spulen 32 Kristalle 42 mit größeren Abmessungen eingebracht sind als zum Ausfüllen der übrigen Räume.At 40 a filler is indicated that the apparatus container for fills most of it, but at least encloses the whole active part and all Gaps both in the active part itself and in the spaces between it and fills the container walls. The filling material is made after the introduction of the Windings 32 and iron core 30 existing active part and after making the winding connections to the bushings 22 and 24 and after welding the cover 16 through the The opening 21 provided in the lid is introduced into the container. The filling material itself consists of crystalline fabrics with smooth surfaces and simple geometric shapes To shape. It has a high thermal conductivity and also good electrical properties. It can therefore be used for heat dissipation from active parts as well as for insulation to be used. Substances with a cube shape or prove to be particularly suitable of a similar shape which, with careful layering, results in a filling that is as complete as possible of the free container spaces and thus have a large fill factor. That Fit of the crystals to the active part and the fit of the crystals to one another and on the container walls occurs in the case of crystals with large areas,, nenn this carefully, d. H. are seamlessly layered. Make a good layering Crystals with rectangular edges, as indicated at 37 in Fig. I and in Fig.2 is particularly drawn out on an enlarged scale. Fig. 2 shows that in the spaces between the individual coils 32 crystals 42 with larger Dimensions are brought in than to fill in the remaining spaces.

Damit sich die Kristalle im Behälter lückenlos aufschichten, muß das Apparatgehäuse beim Einfüllen geschüttelt werden. Dadurch gruppieren sich die Kristalle um den aktiven Teil und füllen alle Zwischenräume in gleichmäßiger Schichtung aus. Nur wenn befürchtet wird, daß die Spulenzwischenräume sich beim Füllvorgang von selbst gänzlich füllen, dann können diese Zwischenräume schon beim Aufbau des aktiven Teils mit Füllstoffen ausgefüllt werden. Dabei bringt man jeweils nach dem Auflegen einer Spule die entsprechende Lage von Kristallen 42 an, um dann die nächste Spule 32 aufzulegen.In order for the crystals to stack up in the container without any gaps, this has to be the case Apparatus housing must be shaken when filling. This will group the crystals together around the active part and fill in all spaces in an even layering. Only if it is feared that the gaps between the coils will move from the filling process you can fill these gaps completely yourself while building the active one Partly to be filled with fillers. One brings each after hanging up the corresponding layer of crystals 42 on a coil, then the next coil 32 hang up.

Da die Kristalle meist rechteckige Kanten haben, ist für das Apparatgehäuse gleichfalls die günstigste Bauform die rechteckige Form. Die Schichtung der Kristalle sieht ähnlich aus wie ein Backsteinmauerwerk. Es ist schließlich nicht nötig, daß die Kristalle von Natur aus schon rechteckige Formen aufweisen, denn diese Form kann auch nachträglich durch Sägen oder Schneiden erhalten werden. Auch lassen sich Kristalle in diesen Formen gießen.Since the crystals mostly have rectangular edges, is for the apparatus housing likewise the most favorable design is the rectangular shape. The stratification of the crystals looks similar to brickwork. After all, it is not necessary that the crystals naturally have rectangular shapes, because this shape can also be obtained afterwards by sawing or cutting. Also can Pour crystals in these molds.

Um bei den geschlossen ausgeführten elektrischen Apparaten keine nachträgliche Dampfbildung im luftdicht verschlossenen Behälter zu bekommen, wird man zweckmäßig alle Feuchtigkeit vor dem Verschließen des Kessels austreiben. Dies kann durch Erhitzen geschehen oder durch Einbringen von feuchtigkeitabsorbierenden Stoffen, wie Calcium-Chlorid. Als Füllstoffe eignen sich besonders Salze und Mineralien, z. B. Fluorite (CaF2), Halite (NaCl), Villiaumite (NaF), Kaliumfluoride (KF) und Sylvite (KCl), die eine Wärmeleitzahl von o,o26, o,oi66, o,o25, o,oi6 und o,oi66 cal/Grad - cm - sec haben. Diese fünf Mineralien haben einen außerordentlich hohen elektrischen Widerstand. Dieser ist z. B. bei Raumtemperatur in der Ordnung von io" Ohm, bei ioo° C io13 Ohm, bei 500° C io' Ohm.In the case of the closed electrical apparatus, there is no subsequent To get steam formation in the airtight container, one becomes expedient all moisture before Drive out the closing of the boiler. this can be done by heating or by introducing moisture-absorbing Substances such as calcium chloride. Salts and minerals are particularly suitable as fillers, z. B. Fluorite (CaF2), Halite (NaCl), Villiaumite (NaF), potassium fluoride (KF) and Sylvite (KCl), which has a coefficient of thermal conductivity of o, o26, o, oi66, o, o25, o, oi6 and o, oi66 cal / degree - cm - sec. These five minerals are extraordinarily high electrical resistance. This is z. B. at room temperature in the order of io "ohms, at ioo ° C io13 ohms, at 500 ° C io 'ohms.

Die vorstehend genannten Stoffe geben Gewähr für eine in wärmetechnischer und elektrischer Hinsicht befriedigende Apparatefüllung. Selbstverständlich sind auch andere Stoffe mit einer Wärmeleitzahl von o,oi cal/Grad - cm - sec oder größer verwendbar. Stoffe mit höherer Wärmeleitzahl führen die Wärme jedoch mit größerer Sicherheit vom aktiven Teil an die Kesselwand ab. Der Vorteil gegenüber anderen Stoffen mit höherer Wärmeleitfähigkeit, z. B. Quarz, besteht darin, daß sie gut spaltbar sind und bessere Oberflächen haben und daher nicht eine Punktberührung, sondern eine Flächenberührung ergeben, die die Wärme besser ableitet.The substances mentioned above give a guarantee for a thermo-technical and electrical equipment filling satisfactory. Of course are also other substances with a thermal conductivity of o, oi cal / degree - cm - sec or greater usable. However, substances with a higher coefficient of thermal conductivity carry the heat with greater Safety from the active part to the boiler wall. The advantage over others Substances with higher thermal conductivity, e.g. B. Quartz, is that they are good are cleavable and have better surfaces and therefore not point contact, but result in surface contact that dissipates the heat better.

Am zweckmäßigsten sind daher einfach geformte Kristalle mit kubischer Gestalt und solche mit rechteckigen Kanten, weil sie außer dem guten Wärmeübergang gleichzeitig auch einen guten Füllfaktor ergeben.The most useful are therefore simply shaped crystals with cubic Shape and those with rectangular edges, because they apart from good heat transfer at the same time also result in a good fill factor.

Die Fig. 3 zeigt im Schaubild eine Gegenüberstellung der Wärmeleitfähigkeit von drei verschiedenen Materialien, nämlich Calciumfluorid, Luft und Quarz, die zunächst eine gewisse Zeit, nämlich 104 Sekunden, aufgeheizt werden und dann wieder abkühlen. Man sieht deutlich, daß Calciumfluorid im Verlaufe der Heizperiode die höchste Temperatur annimmt, d. h. also, es eignet sich von den drei untersuchten Stoffen am besten für den vorgesehenen Zweck.3 shows a comparison of the thermal conductivity in the diagram of three different materials, namely calcium fluoride, air and quartz, which first of all for a certain period of time, namely 104 seconds, and then again cooling down. You can clearly see that calcium fluoride in the course of the heating season assumes the highest temperature, d. H. so, it is suitable of the three examined Fabrics best for their intended purpose.

Claims

PATENT CLAIM: Arrangement for dissipating the heat loss from electrical Apparatus, especially those of a closed design using crystalline substances great thermal conductivity and high dielectric value, both on the active part as well as tightly against each other as well as against the container walls, characterized in that that the crystals from salts or minerals of the group calcium fluoride, sodium chloride, Sodium fluoride, potassium chloride, potassium fluoride and that these exist in an orderly, Preferably, the spaces in the active part as well as between them are layered without gaps fill this and the container walls.