DEP0050398DA - Kühleinrichtung für Elektrogeräte, insbesondere für Trockengleichrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für elektrische Geräte, bei denen die im Betrieb auftretende Erwärmung schädlich ist. Solange diese Geräte ausreichend isoliert oder gekapselt sind und - wenn ein Kühlluftstrom nicht mehr ausreichen sollte - einem Kühlwasserstrom ausgesetzt werden können, bereitet die Kühlung in den meisten Fällen keine grossen Schwierigkeiten. Wenn jedoch Geräte zu kühlen sind, bei denen grosse Wärmemengen abzuführen sind und eine Kapselung oder Isolierung der spannungsführenden Teile aus Wärmeübergangsgründen nicht zulässig ist, müssen andere Wege beschritten werden. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn durch die Erwärmung das elektrische Verhalten dieser Geräte beeinflusst wird, wie es beispielsweise bei Widerständen, insbesondere aber bei hochbelasteten Trockengleichrichtern der Fall ist, bei denen gleichzeitig auch eine möglichst gleichmässige Kühlung aller Teile des Gerätes erforderlich ist. Die an sich nahe liegende Anwendung eines ausreichend starken Kühlluftstromes kan einen zu grossen Leistungsaufwand bedingen und daher unwirtschaftlich sein.

Die Kühleinrichtung nach der Erfindung löst die genannte Aufgabe dadurch, dass als Kühlmittel eine Flüssigkeit dient, die durch die abzuführende Wärme bei einem beliebigen Druck auf der zu diesem Druck gehörenden Verdampfungstemperatur gehalten und verdampft wird. Da eine verdampfende Flüssigkeit praktisch im ganzen Verdampfergefäss eine konstante Temperatur aufweist und unter diesen Verhältnissen ausgezeichnete Wärmeübertragungsbedingungen herrschen, liegt die Temperatur des zu kühlenden elektrischen Gerätes, z.B. der Platten des Trockengleichrichters,nur unwesentlich über der Flüssigkeitstemperatur. Auch eine örtlich ungleichmässige Wärmeentwicklung an den einzelnen Teilen des elektrischen Gerätes hat praktisch keine ins Gewicht fallenden örtlichen Temperatursteigerungen zur Folge, da sie eine verstärkte Verdampfung an diesen Stellen verursacht.

Wird die neue Kühleinrichtung ausserdem mit einem Kondensator für die Kühlmitteldämpfe ausgerüstet und das Kondensat wieder in den Verdampfungsraum zurückgeführt, so wird der weitere Vorteil erzielt, dass das Kühlmittel in einem abgeschlossenen Behälter untergebracht werden kann, dass nur eine verhältnismässig geringe Menge dieses Kühlmittels erforderlich ist und dass praktisch keine Kühlmittelverluste eintreten. Als Kühlmittel kann daher jede geeignete Flüssigkeit verwendet werden, die sich bei einer den Erfordernissen des zu kühlenden Gerätes angepassten Temperatur verdampfen lässt.

Statt einer unmittelbaren Kühlung des elektrischen Gerätes durch Eintauchen desselben in das verdampfende Kühlmittel kann auch eine mittelbare Kühlung vorgenommen werden, indem die abzuführende Wärme dem verdampfenden Kühlmittel durhc ein auf geschlossener Bahn umlaufendes Wärmeübertragungsmittel zugeführt wird. Als solches kann sowohl ein gasförmiges als auch ein flüssiges isolierendes Medium Verwendung finden.

Anhand von auf der Zeichnung schematisch dargestellten Beispielen wird die Erfindung noch näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine Kühleinrichtung mit direkter Kühlung eines Trockengleichrichters, Fig. 2 eine Kühleinrichtung mit indirekter Kühlung und Fig. 3 eine weitere Ausgestaltung der Kühleinrichtung nach Fig. 2.

In Fig. 1 ist 1 ein geschlossener, an seiner Oberseite eine domartige Erhöhung 1a aufweisender Behälter, in dem das zu kühlende elektrische Gerät 2 - im vorliegenden Falle ein Trockengleichrichter - untergebracht ist. Dieser ist von einer isolierenden Flüssigkeit 3 bedeckt, welche sich bei der für das elektrische Verhalten des Trockengleichrichters geeigneten oder noch zulässigen Temperatur, z.B. bei 30°C, im Sättigungszustand befindet. Der Trockengleichrichter wird somit in allen seinen freien Teilen von der Flüssigkeit umspült. Diese verdampft je nach der an den einzelnen Stellen entwickelten Wärme mehr oder weniger stark und hält somit den ganzen Gleichrichter auf annähernd gleichbleibender Temperatur, so dass die elektrischen Eigenschaften des Gleichrichters ebenfalls dauernd annähernd die gleichen bleiben.

Der gebildete Dampf steigt in den Teil 1a des Gefässes hoch und wird hier an der durch Luft oder Wasser gekühlten Kühlschlange 4 kondensiert, d.h. verflüssigt. Der obere Teil 1a des Gefässes 1 stellt somit zusammen mit der Kühlschlange 4 einen Kondensator dar, von dem aus das Kühlmittelkondensat wieder zum Verdampfer zurückfliessen kann. Im übrigen kann der Kondensator auch als luftgekühlter Rippenrohrkondensator, als wassergekühlter Bündelrohrapparat oder in einer anderen bekannten Art ausgebildet sein. Der im Verdampfer und im Kondensator herrschende Druck ergibt sich aus der Dampfdruckkurve der angewandten Flüssigkeit und der verlangten Verdampfungstemperatur, die durch die elektrische Eigenschaft des Gerätes gegeben ist und deren Höhe durch die Intensität der Luft- oder Wasserkühlung beeinflusst werden kann.

Die auf diese Weise erreichbare tiefste Temperatur des Kühlmittels 3 liegt wenige Grade über der Temperatur des Kühlwassers oder der Kühlluft, die das Kühlsystem 4 durchströmt. Oberhalb dieser Temperatur lässt sich praktisch jede beliebige Verdampfungstemperatur durch die Wahl des Kühlmittels und des Dampfdruckes sowie durch geeignete Beeinflussung des Kondensationsvorganges erreichen. Hierzu braucht beispielsweise nur die Menge des das Kühlsystem 4 durchströmenden Kühlwassers oder der Kühlluft entsprechend eingestellt zu werden, was erforderlichenfalls auch selbsttätig vorgenommen werden kann. Die Einrichtung nach Fig. 1 hat den Vorteil, dass sie keinerlei bewegliche Teile aufweist, wenn man von dem evtl. erforderlich werdenden Regelorgan für das das Kühlsystem 4 durchströmende Kühlwasser absieht.

Bei der Einrichtung nach Fig. 1 wird die Kühlfüssigkeit durch unmittelbare Berührung mit dem zu kühlenden Gerät auf Verdampfungstemperatur erhitzt. Es kann aber auch vorteilhaft sein, einen indirekten Wärmeübergang vom Gerät zu der verdampfenden Flüssigkeit durch Zwischenschaltung eines besonderen Wärmeübertragungsmittels vorzusehen. Das kann insbesondere deshalb von Vorteil sein, weil man auf diese Weise hinsichtlich der isolierenden und chemischen Eigenschaften des Kühlmittels von den Erfordernissen des zu kühlenden Gerätes unabhängig wird. Während bei einer Einrichtung nach Fig. 1 der Trockengleichrichter beispielsweise die Verwendung eines isolierenden und die einzelnen Teile des Gerätes nicht angreifenden Kühlmittels erfordert, kann bei indirekter Kühlung jede - also auch eine leitende und gegebenenfalls sogar ätzend wirkende - Flüssigkeit als Kühlmittel im Sinne der Erfindung dienen, wenn sie nur hinsichtlich der Verdampfungstemperatur den Erfordernissen des zu kühlenden Gerätes entspricht.

Eine solche Einrichtung sei anhand der Fig. 2 erläutert. In dieser wird die Wärme von den Platten des Trockengleichrichters 2 zunächst an ein Wärmeübertragungsmittel übertragen, dessen Temperatur dadurch um einen entsprechenden Betrag erhöht wird. Dieses Wärmeübertragungsmittel kann sowohl ein gasförmiges, z.B. Luft, oder ein flüssiges, z.B. Öl oder dergleichen, sein. Es ist mit dem Gleichrichter 2 in einem geschlossenen Behälter 5 untergebracht, der so ausgebildet ist, dass er eine geschlossene Umlaufbahn für das Wärmeübertragungsmittel bildet. Das erhitzte Wärmeübertragungsmittel fliesst einem Verdampfer 6 zu, der - im dargestellten Beispiel ein Rohrsystem mit entsprechender Oberfläche - die eigentliche Kühlflüssigkeit enthält. Diese wird durch das Wärmeübertragungsmittel auf Verdampfungstemperatur erhitzt und verdampft, indem letzteres die vorher aufgenommene Wärmemenge wieder abgibt. Die Temperatur des Übertragungsmittels geht damit wieder auf den Ausgangswert zurück, und der Kreislauf kann von neuem beginnen. Um die Druckverluste, die das Übertragungsmittel auf seinem Weg erleidet, zu überwinden, wird mit Vorteil eine Fördereinrichtung 7 vorgesehen, beispielsweise in Form eines Gebläses, einer Pumpe oder dergleichen.

Die Kondensation des von dem Rohrsystem 6 ausgehenden Kühlmitteldampfes kann nun in ähnlicher Weise vor sich gehen, wie es anhand der Fig. 1 bereits erläutert wurde, d.h. durch das von Kühlwasser oder dergleichen durchströmte Rohrsystem 4 erfolgt die Kondensation der Dämpfe. Das Kondensat kehrt dann wieder in das Rohrsystem 6 zurück, um von neuem verdampft zu werden.

Reicht das vorhandene Temperaturgefälle zwischen dem Kühlwasser im Rohrsystem 4 und dem Übertragungsmittel im Gefäss 5 nicht aus, so ist es vorteilhaft, die gebildeten Dämpfe vor ihrer Kondensation maschinell zu verdichten und danach das Kondensat - gegebenenfalls über ein Regelventil - wieder in den Verdampfungsraum zurückzuleiten.

Eine derartige Ausführungsform des Erfindungsgedankens ist in Fig. 3 schematisch dargestellt. Diese entspricht in ihrem wesentlichen Aufbau der Anordnung nach Fig. 2, d.h. 5 ist wieder ein eine geschlossene Umlaufbahn bildendes Gefäss, in dem der zu kühlende Trockengleichrichter 2 untergebracht ist, und in dem durch ein Gebläse 7 oder dergleichen ein gasförmiges oder flüssiges Wärmeübertragungsmittel auf geschlossener Bahn in der Pfeilrichtung im Kreislauf gehalten wird. 8 ist der Verdampfer - hier beispielsweise in Form eines Behälters mit einer Anzahl von Durchströmrohren für das Wärmeübertragungsmittel, also mit grossen Wärmeübergangsflächen dargestellt -, der vorteilhaft den ganzen erweiterten Querschnitt des Behälters 5 ausfüllt, so dass das umlaufende Wärmeübertragungsmittel die am Gleichrichter 2 aufgenommene Wärme möglichst vollständig an das im Verdampfer 8 vorhandene Kühlmittel abgibt und dieses auf die dem Druck der Flüssigkeit entsprechende Siedetemperatur bringt und verdampft. Damit das Temperaturgefälle gegenüber dem bei der Ausführungsform nach Fig. 2 erreichbaren vergrössert werden kann, ist ein Verdichter 9 für die ausgetriebenen Kühlmitteldämpfe vorgesehen. Dieser Verdichter 9 saugt die Dämpfe ab und drückt sie in einen Kondensator 10, der nach Fig. 2 ausgeführt, aber auch jede andere zweckmässige Gestalt haben kann. Das verdichtete kondensierte Kühlmittel im Kondensator 10 wird anschliessend wieder dem Verdampfungsgefäss 8 zugeführt und zwar über ein besonderes Regelventil 11 oder ein anderweitiges Drosselgerät, wobei die Temperatur des Kühlmittels entsprechend sinkt. Verdichter 9, Kondensator 10 und Regelventil 11 wirken somit ähnliche wie bei einer kleinen Kompressions-Kältemaschine. Es ist aber auch möglich, statt dessen eine Absorptions-Kältemaschine vorzusehen, wobei das Verdampfungsgefäss 8 den Verdampfer der Absorptionsanlage bildet. Abge- sehen von evtl. erforderlich werdenden Regelorganen für die Kältemaschine hätte dann die Kühleinrichtung keine weiteren beweglichen Teile als ein kleines Gebläse 7 zum Umlauf des Wärmeübertragungsmittels, das aber nur kleinen Leistungsaufwand erfordert, und je nach Bauart u.U. eine Lösungsmittelpumpe.

Wird als Wärmeübertragungsmittel im Gefäss 5 ein Gas verwendet, so ist es vorteilhaft, statt Gas mit atmosphärischem Druck ein verdichtetes Gas, z.B. Druckluft, anzuwenden, denn dadurch wird die Wärmeübertragungsfähigkeit erheblich erhöht, so dass beispielsweise bei gleicher Leistung des Lüfters 7 und gleichen Temperaturverhältnissen eine entsprechend grössere Wärmemenge vom Gerät 2 abgeführt und an den Verdampfer 6 (Fig. 2) oder 8 (Fig. 3) übertragen werden kann.

In manchen Fällen kann es auch vorteilhaft sein, zwischen den Verdampfer und das Wärmeübertragungsmittel ein weiteres Wärmeübertragungsmittel, z.B. Sole, zwischenzuschalten. In diesem Fall wird also die Wärme von dem ersten Wärmeübertragungsmittel, z.B. Luft, über einen Wärmeaustauscher an die Sole abgeführt, die ihrerseits einen Kreislauf zwischen diesem Wärmeaustauscher und dem Verdampfer ausführt. Diese Art der Kühlung kann insbesondere dann zweckmässig sein, wenn bereits eine anderen Zwecken dienende Kälteanlage vorhanden ist.

Die Erfindung ist auf die dargestellten, nur den prinzipiellen Aufbau veranschaulichenden Ausführungsformen nicht beschränkt. Es können vielmehr die einzelnen Teile der Kühleinrichtungen weitgehend von der dargestellten Gestalt abweichen, sofern sie nur die ihnen zukommenden genannten Aufgaben erfüllen.

Claims (8)

1.) Kühleinrichtung für elektrische Geräte, insbesondere für Trockengleichrichter, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel eine Flüssigkeit dient, die durch die abzuführende Wärme verdampft wird.

2.) Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensator für die Kühlmitteldämpfe vorhanden ist, von dem aus das gebildete Kondensat (z.B. infolge der Schwerewirkung) wieder inden Verdampfungsraum zurückkehrt.

3.) Kühleinrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen zwischen Verdampfungsraum und Kondensator eingeschalteten Verdichter für die Kühlmitteldämpfe.

4.) Kühleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kondensator und Verdampfungsraum ein Regelventil oder ein Drosselorgan liegt, welches das verdichtete Kühlmittel vor dem Wiedereintritt in den Verdampfungsraum entspannt.

5.) Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät unmittelbar vom Kühlmittel umspült ist.

6.) Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abzuführende Wärme dem siedenden Kühlmittel über ein oder mehrere in geschlossener Bahn umlaufende flüssige oder gasförmige Wärmeübertragungsmittel zugeführt wird.

7.) Kühleinrichtung mit gasförmigen Wärmeübertragungsmittel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Wärmeübertragungsmittel unter erhöhtem Druck steht.

8.) Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfungsraum der Verdampfer einer Absortions-Kältemaschine ist.