DEP0050398DA

DEP0050398DA - Cooling device for electrical appliances, in particular for dry rectifiers

Info

Publication number: DEP0050398DA
Authority: DE
Inventors: Helmuth Dr.-Ing. Glaser
Original assignee: Siemens Schuckertwerke AG
Current assignee: Siemens Schuckertwerke AG
Publication date: 1951-01-04

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.The invention relates to a cooling device for electrical devices in which the heating that occurs during operation is harmful. As long as these devices are sufficiently insulated or encapsulated and - if a flow of cooling air should no longer be sufficient - can be exposed to a flow of cooling water, cooling does not present any major difficulties in most cases. If, however, devices are to be cooled that have to dissipate large amounts of heat and encapsulation or insulation of the live parts is not permitted for reasons of heat transfer, other methods must be used. This is especially the case when the heating affects the electrical behavior of these devices, as is the case, for example, with resistors, but especially with highly loaded dry rectifiers, which also require the most uniform possible cooling of all parts of the device. The use of a sufficiently strong flow of cooling air, which is obvious in itself, may require too much power and therefore be uneconomical.

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.The cooling device according to the invention achieves the stated object in that the coolant used is a liquid which is held by the heat to be dissipated at any pressure at the evaporation temperature associated with this pressure and is evaporated. Since an evaporating liquid has a constant temperature in practically the entire evaporator vessel and excellent heat transfer conditions prevail under these conditions, the temperature of the electrical device to be cooled, e.g. the plates of the dry rectifier, is only slightly above the liquid temperature. Even a locally uneven development of heat on the individual parts of the electrical device has practically no significant local temperature increases as it causes increased evaporation at these points.

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.If the new cooling device is also equipped with a condenser for the coolant vapors and the condensate is returned to the evaporation chamber, the further advantage is achieved that the coolant can be accommodated in a closed container, that only a relatively small amount of this coolant is required and that practically no coolant losses occur. Any suitable liquid which can be evaporated at a temperature adapted to the requirements of the device to be cooled can therefore be used as the coolant.

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.Instead of direct cooling of the electrical device by immersing it in the evaporating coolant, indirect cooling can also be carried out in that the heat to be dissipated is supplied to the evaporating coolant by a heat transfer medium circulating on a closed path. Both a gaseous and a liquid insulating medium can be used as such.

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.The invention will be explained in more detail using examples shown schematically in the drawing. 1 shows a cooling device with direct cooling of a dry rectifier, FIG. 2 shows a cooling device with indirect cooling, and FIG. 3 shows a further embodiment of the cooling device according to 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.In FIG. 1, 1 is a closed container with a dome-like elevation 1a on its upper side, in which the electrical device 2 to be cooled - in the present case a dry rectifier - is accommodated. This is covered by an insulating liquid 3, which is in the saturation state at the temperature suitable or still permissible for the electrical behavior of the dry rectifier, e.g. at 30 ° C. The dry rectifier is thus washed around in all of its free parts by the liquid. This evaporates to a greater or lesser extent depending on the heat developed at the individual points and thus keeps the entire rectifier at an approximately constant temperature, so that the electrical properties of the rectifier also remain approximately the same over the long term.

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.The vapor formed rises up into part 1a of the vessel and is condensed, i.e. liquefied, on the cooling coil 4, which is cooled by air or water. The upper part 1a of the vessel 1, together with the cooling coil 4, thus represents a condenser from which the coolant condensate can flow back to the evaporator. In addition, the condenser can also be designed as an air-cooled finned tube condenser, as a water-cooled bundle tube apparatus or in some other known manner. The pressure prevailing in the evaporator and in the condenser results from the vapor pressure curve of the liquid used and the required evaporation temperature, which is determined by the electrical property of the device is given and its height can be influenced by the intensity of the air or water cooling.

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.The lowest temperature of the coolant 3 that can be achieved in this way is a few degrees above the temperature of the cooling water or the cooling air which flows through the cooling system 4. Above this temperature, practically any evaporation temperature can be achieved through the choice of the coolant and the vapor pressure as well as through suitable influencing of the condensation process. For this purpose, for example, only the amount of cooling water or cooling air flowing through the cooling system 4 needs to be adjusted accordingly, which, if necessary, can also be carried out automatically. The device according to FIG. 1 has the advantage that it does not have any moving parts, if one disregards the regulating element which may become necessary for the cooling water flowing through the cooling system 4.

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.In the device according to FIG. 1, the cooling liquid is heated to the evaporation temperature by direct contact with the device to be cooled. However, it can also be advantageous to provide an indirect heat transfer from the device to the evaporating liquid by interposing a special heat transfer medium. This can be of particular advantage because in this way one becomes independent of the requirements of the device to be cooled with regard to the insulating and chemical properties of the coolant. While in a device according to FIG. 1, the dry rectifier requires the use of an insulating coolant that does not attack the individual parts of the device, with indirect cooling, any liquid - including a conductive and possibly even corrosive - can serve as a coolant within the meaning of the invention if it only meets the requirements of the device to be cooled with regard to the evaporation temperature.

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.Such a device will be explained with reference to FIG. In this, the heat is first transferred from the plates of the dry rectifier 2 to a heat transfer medium, the temperature of which is thereby increased by a corresponding amount. This heat transfer medium can be either a gaseous, e.g. air, or a liquid, e.g. oil or the like. It is accommodated with the rectifier 2 in a closed container 5 which is designed in such a way that it forms a closed circulation path for the heat transfer medium. The heated heat transfer medium flows to an evaporator 6 which - in the example shown, a pipe system with a corresponding surface - contains the actual cooling liquid. This is heated to evaporation temperature by the heat transfer medium and evaporated, in that the latter gives off the previously absorbed amount of heat. The temperature of the transmission medium returns to the initial value and the cycle can begin again. In order to overcome the pressure losses which the transmission medium suffers on its way, a conveying device 7 is advantageously provided, for example in the form of a fan, a pump or the like.

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.The condensation of the coolant vapor emanating from the pipe system 6 can now proceed in a manner similar to that already explained with reference to FIG. 1, i.e. the condensation of the vapors takes place through the pipe system 4 through which cooling water or the like flows. The condensate then returns to the pipe system 6 to be evaporated again.

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.If the existing temperature gradient between the cooling water in the pipe system 4 and the transfer medium in the vessel 5 is not sufficient, it is advantageous to compress the vapors that are formed by machine before they condense and then to re-enter the condensate - possibly via a control valve to return the evaporation space.

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.Such an embodiment of the inventive concept is shown schematically in FIG. 3. This corresponds in its essential structure to the arrangement according to FIG. 2, ie 5 is again a closed orbit forming vessel in which the dry rectifier 2 to be cooled is housed, and in which a gaseous or liquid heat transfer medium is closed by a fan 7 or the like Orbit is circulated in the direction of the arrow. 8 shows the evaporator - here for example in the form of a container with a number of through-flow tubes for the heat transfer medium, i.e. with large heat transfer surfaces - which advantageously fills the entire expanded cross section of the container 5, so that the circulating heat transfer medium absorbs the heat at the rectifier 2 as much as possible releases completely to the coolant present in the evaporator 8 and brings this to the boiling temperature corresponding to the pressure of the liquid and evaporates. So that the temperature gradient can be increased compared to that which can be achieved in the embodiment according to FIG. 2, a compressor 9 is provided for the expelled coolant vapors. This compressor 9 sucks off the vapors and presses them into a condenser 10, which is designed according to FIG. 2, but can also have any other suitable shape. The compressed condensed coolant in the condenser 10 is then fed back to the evaporation vessel 8 via a special control valve 11 or some other throttle device, the temperature of the coolant falling accordingly. Compressor 9, condenser 10 and control valve 11 thus act in a similar way to a small compression refrigeration machine. However, it is also possible to provide an absorption refrigeration machine instead, the evaporation vessel 8 forming the evaporator of the absorption system. Submitted See of any regulating organs that may become necessary for the refrigeration machine, the cooling device would then have no further moving parts than a small fan 7 for circulating the heat transfer medium, which, however, only requires a small amount of power, and, depending on the design, possibly a solvent pump.

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.If a gas is used as the heat transfer medium in the vessel 5, it is advantageous to use a compressed gas, e.g. compressed air, instead of gas at atmospheric pressure, because this significantly increases the heat transfer capacity so that, for example, with the same performance of the fan 7 and the same temperature conditions, a correspondingly larger amount of heat can be removed from the device 2 and transferred to the evaporator 6 (Fig. 2) or 8 (Fig. 3).

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.In some cases it can also be advantageous to interpose a further heat transfer medium, e.g. brine, between the evaporator and the heat transfer medium. In this case, the heat from the first heat transfer medium, e.g. air, is carried away via a heat exchanger to the brine, which in turn carries out a circuit between this heat exchanger and the evaporator. This type of cooling can be particularly useful if another refrigeration system is already in place for other purposes.

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.The invention is not restricted to the embodiments shown, which only illustrate the basic structure. Rather, the individual parts of the cooling devices can largely differ from the shape shown, provided that they only fulfill the stated tasks assigned to them.

Claims

1.) Cooling device for electrical devices, in particular for dry-type rectifiers, characterized in that the coolant used is a liquid which is evaporated by the heat to be dissipated.

2.) Cooling device according to claim 1, characterized in that there is a condenser for the coolant vapors, from which the condensate formed (e.g. as a result of gravity) returns to the evaporation space.

3.) Cooling device according to claim 2, characterized by a compressor connected between the evaporation chamber and the condenser for the coolant vapors.

4.) Cooling device according to claim 3, characterized in that a control valve or a throttle element is located between the condenser and the evaporation chamber, which relaxes the compressed coolant before re-entry into the evaporation chamber.

5.) Cooling device according to claim 1 or one of the following claims, characterized in that the device is immediately washed around by the coolant.

6.) Cooling device according to claim 1, characterized in that the heat to be dissipated is supplied to the boiling coolant via one or more liquid or gaseous heat transfer media circulating in a closed path.

7.) Cooling device with gaseous heat transfer medium according to claim 6, characterized in that the gaseous heat transfer medium is under increased pressure.

8.) Cooling device according to claim 1 or 6, characterized in that the evaporation chamber is the evaporator of an absorption refrigeration machine.