EP2203969A2 - Kühlmantel insbesondere für elektrische maschinen sowie herstellungsverfahren dafür - Google Patents

Kühlmantel insbesondere für elektrische maschinen sowie herstellungsverfahren dafür

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Publication number
EP2203969A2
EP2203969A2 EP08842055A EP08842055A EP2203969A2 EP 2203969 A2 EP2203969 A2 EP 2203969A2 EP 08842055 A EP08842055 A EP 08842055A EP 08842055 A EP08842055 A EP 08842055A EP 2203969 A2 EP2203969 A2 EP 2203969A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wall
cooling jacket
heat exchanger
cooling
joints
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08842055A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Joachim Braun
Peter Lemke
Günther SONNAUER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Baumueller Nuernberg GmbH
Original Assignee
Baumueller Nuernberg GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Baumueller Nuernberg GmbH filed Critical Baumueller Nuernberg GmbH
Priority to EP08842055A priority Critical patent/EP2203969A2/de
Publication of EP2203969A2 publication Critical patent/EP2203969A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D53/00—Making other particular articles
    • B21D53/02—Making other particular articles heat exchangers or parts thereof, e.g. radiators, condensers fins, headers
    • B21D53/04—Making other particular articles heat exchangers or parts thereof, e.g. radiators, condensers fins, headers of sheet metal
    • B21D53/045—Making other particular articles heat exchangers or parts thereof, e.g. radiators, condensers fins, headers of sheet metal by inflating partially united plates
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/14—Casings; Enclosures; Supports
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/20—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium
    • H02K5/203—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium specially adapted for liquids, e.g. cooling jackets
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/4935—Heat exchanger or boiler making
    • Y10T29/49364—Tube joined to flat sheet longitudinally, i.e., tube sheet

Definitions

  • Cooling jacket in particular for electrical machines, and production method therefor
  • the invention relates to a cooling jacket and / or heat exchanger, which for investment in cooling objects solid shape (solid products) such.
  • solid shape solid products
  • the cooling jacket / heat exchanger has an inner and outer wall, which define a flow cavity between them. This is provided with inlet and outlet means for cooling medium and with guide means for forming and / or limiting at least one flow path for the cooling medium, wherein the flow path extends between the inner and outer walls of the inlet means to the outlet means.
  • the inner wall has a smooth or largely smoothed outside, which is associated with the solid product or object to be cooled for full investment in it.
  • the outer wall of the cooling jacket has a smooth upper or outer surface for full contact with objects to be cooled solid shape (solid products).
  • Housing for units of solid design which are interspersed by cooling coils or cooling channels can be finished only with great effort from stainless chromium-nickel steel.
  • the production of the housing is expensive, and the solid state units, such as electric motors must be shrunk into such housing.
  • Inner is included, for example, from the manufacturer "PHASE
  • Cooling channels also helical.
  • An outer housing jacket covers these cooling channels to the outside.
  • US-A-3 075 103 describes a fluid-flow cooling ring for sealed electric motors.
  • the stator is covered by a pressure vessel.
  • a structurally integrated heat exchanger is formed with parallel grooves, which are incorporated in the inner surface of the pressure vessel.
  • the open side of the grooves is covered by a steel cylinder concentric with the motor shaft.
  • At its radially inwardly facing outside are cooling copper windings, which are in thermal contact with the stator windings.
  • the radially inwardly facing surface of the cylinder inner shell is formed evenly circular cylindrical.
  • Pressure vessel an outer shell with a smooth surface.
  • US-A-30 09 072 describes fluid cooled motors which are surrounded by a cooling jacket. The aim is to produce as intense an intense thermal contact between the electric sheet of the motor and / or its housing and the cooling jacket, with a compact
  • groove channels are formed in the stator or in the motor shaft or in the rotor and / or in a surrounding, outer housing shell.
  • a sandwich arrangement with two concentric layers or layers is inserted between the stator / rotor electrical steel on the one hand and the outer housing jacket on the other hand.
  • the sandwich arrangement is like this then between the outer housing shell on the one hand and the electric sheet of the engine on the other.
  • a pressure medium is blown in between the two layers of the sandwich arrangement, whereby both sandwich layers are pressed against the respective surfaces of the motor electric sheet and the surrounding, outer casing shell.
  • the groove channels incorporated into the electrical sheet and / or the inner wall of the outer casing shell press and form onto the respective layer or layer of the sandwich arrangement. This creates passages for cooling fluid between the two layers of the now expanded sandwich assembly.
  • WO 00/54 991 describes an arrangement with a flow-through cover and an electric wheel motor within a wheel hub, which carries a tire. Through the middle of the electric wheel cooling air is passed and directed through the cover. A cover ring is connected to the wheel motor edge by means of a clamping element.
  • the invention is based on the object, in a double-walled cooling jacket of the generic type
  • the outer jacket of the outer wall extends, for example, with respect to a ground plane or a
  • the advantage is achieved to be able to cool caseless or vollgeblmü stators without producing a supporting housing or
  • the cooling jacket does not constitute a mechanically supporting component of the engine construction, a complete separation of functions between mechanical support structure and cooling is provided.
  • the wall thickness of the cooling jacket or its inner and outer walls can be selected to be very thin on the one hand which makes the use of high-quality materials such as stainless chrome-nickel steel economical. In particular, when using this material can be appropriately realize thicknesses of 0.3 -2.0 mm, for example, 0.8 mm for the inner and outer walls.
  • liquid cooling is not needed, the entire cooling system can be eliminated by simply omitting or removing the cooling jacket.
  • Pressing on a relieving of forming pressure has occurred - is specifically avoided according to the invention in that the formation or inflation of the channel structure takes place on a separate device.
  • the resulting, pillow-like structure is stretched only after relief of forming pressure on the object to be cooled or otherwise permanently pressed to this. This ensures direct contact of the wall of the channel system of the cooling jacket with the object to be cooled.
  • joints and / or sections with staples or welding or soldering can be produced.
  • the stapling or welding is advantageous insofar as can be used to welding robots, which are used for mounting the
  • Welding or stitching points can be programmed in advance accordingly. This programming can for example be made such that an arrangement of the joints and / or joining sections results, resulting in meandering flow paths of the cooling medium, possibly with turbulence result. Furthermore, results on the
  • the advantageous embodiment that the wells and / or flow guide are structurally simple realized with the joints and / or joining sections.
  • the cooling jacket with its inner wall can fit snugly against the solid object to be cooled, a shape adaptation to the solid object is necessary, which can be accomplished, for example, with a forming device.
  • Solid object to be provided on its outer surface or side with a heat transfer improving coating is provided on its outer surface or side with a heat transfer improving coating.
  • this coating consists of a viscoelastic polymer, which is applied for example to the inside of the cooling jacket and after installation of the cooling jacket small
  • Statorblech or the stator windings are used to use for the stated purpose.
  • An additional coating material for the purposes mentioned could then be omitted.
  • the potting compound for the stator or its windings or for another similar product is not fully cured, it is expedient to mount the cooling jacket within the scope of the invention. Then automatically results in a shape adaptation of the potting compound on existing bumps, clear spaces, etc. between the opposite outer sides of the cooling jacket and the product to be cooled.
  • this casting compound or the usual for electrical sheets and windings of stators impregnating resin is not yet cured, it can spread between the opposite contact surfaces of cooling jacket and product to be cooled and thus close about any existing heat transfer gaps.
  • the additional step required for the above-described invention training - applying a polymeric viscoelastic intermediate coating - can be dispensed with.
  • Unevenness on the circumference of the product to be cooled, such as electric motor and / or on the outside of the inner wall of the cooling jacket can also be filled or compensated with potting compound.
  • the cooling jacket is mounted before the above-mentioned impregnation process.
  • the impregnating resin can penetrate between the cooling object, for example the stator, and the cooling jacket.
  • the penetration can optionally be further improved by the fact that the cooling jacket in the interior of each circular weld for connecting the inner and outer metal sheet has a hole through which penetrate even on the outer surface even when soaking resin or air can escape.
  • training the elevations and depressions are curved convex or concave in the cooling jacket and / or heat exchanger.
  • training are the cooling jacket and / or heat exchanger, the joints and / or - sections (10) with stitching or welding, soldering, gluing,
  • training the joints and / or joining sections are arranged in the region of the recesses of the respective outer side of the inner or outer wall of the cooling jacket and / or heat exchanger.
  • training the recesses and / or flow-conducting means are realized with the joints and / or joining sections in the cooling jacket and / or heat exchanger.
  • cooling jacket and / or heat exchanger which has a cylindrical and / or elongated and / or rotationally symmetric basic shape - seen in alignment parallel to or according to the cylinder, longitudinal or symmetry axis - on the outer surface or side of the inner or outer wall elevations with depressions, wherein each elevation or depression on each side is limited by out-of-flight depressions or elevations.
  • training the flow-guiding means are realized with the joints and / or joining sections and / or connection points or sections between the inner and outer walls of the cooling jacket and / or heat exchanger.
  • Flow paths of the cooling medium meandering and / or over
  • cooling jacket and / or heat exchanger comprising a cylindrical and / or elongated and / or rotationally symmetrical
  • Outer wall alternately offset more towards one edge and more towards an opposite edge.
  • cooling jacket and / or heat exchanger having a cylindrical and / or elongated and / or rotationally symmetric basic shape in a circumferential direction about the cylinder, longitudinal and / or symmetry axis and / or in a direction parallel to Cylinder, longitudinal and / or
  • the joints and / or Joining sections arranged with regular structure and / or uniform distances from each other.
  • training are the cooling jacket and / or heat exchanger mounting and / or fixing means on or in the outer and / or inner wall for attachment to a
  • cooling jacket and / or heat exchanger comprising a hollow cylindrical basic shape, wherein the cylinder circumferential skirt has an axially parallel butt seam or joint, which by circumferentially opposite edges of the inner and
  • outside wall is formed, the opposite edges by spring clips, claw springs or other elastic clamping means and / or welds held together or directly opposite.
  • the outer or inner wall are formed with a smooth or largely smoothed outside for full investment in the solid state product.
  • Sheet metal sandwich was bent after its welding to a cylinder jacket, it is provided with connections, which are preferably welded in the form of threaded flanges directly to the cover plate of the cooling jacket or sheet sandwich.
  • a second sheet metal cylinder is manufactured as a cover, which can consist of normal steel sheet for cost savings.
  • This jacket is made thick-walled than the individual sheets of the cooling jacket. For example, if the individual sheets are 0.8 millimeters thick, the thickness of the top coat is 2.5 millimeters or more.
  • This cover is provided with holes or other openings through which later the inlet / outlet connection flanges or other connection elements of the cooling jacket can protrude.
  • the cover is welded to a cylinder, depending on the development of the cylinder by means of a longitudinal or by means of a spiral seam. The cover is dimensioned in its dimensions so that in the
  • the two coaxial preassembled sheaths are pushed axially onto the cylindrical motor section to be cooled. Subsequently, the two coaxial preassembled sheaths are pushed axially onto the cylindrical motor section to be cooled. Subsequently, the two coaxial preassembled sheaths are pushed axially onto the cylindrical motor section to be cooled. Subsequently, the two coaxial preassembled sheaths are pushed axially onto the cylindrical motor section to be cooled. Subsequently, the
  • the thicker sheet metal of the covering jacket is also deformed.
  • the cover In contrast to the cooling jacket, in which the channel structure is formed, the cover is stretched mainly in the circumferential direction, depending on the internal pressure elastic or elastic-plastic. When the pressure is released, the existing, very high pretension of the covering jacket leads to a large radial force component inwards.
  • the channel pattern of the cooling jacket represents a structure of relatively high spatial frequency with proportions of material in the radial direction
  • the cooling jacket is so stiff in the radial direction with two-dimensional force introduction that a large part of the bias is retained in the cover and its radial component is effective as a contact force for the cooling jacket, to press this on the engine while reducing the heat transfer resistance.
  • Invention variant be provided before assembly with a heat transfer improving coating, which then compensates even small bumps higher spatial frequency.
  • the second variant of the invention is characterized in particular by the approach to impose the cooling jacket performing structure directly on the object to be cooled, for example stator of an electric motor, using the cover, in order in this way a cross-compression composite of the cover, cooling jacket and
  • Motor or other object to be cooled (reactor, vessel, container) produce.
  • One advantage is that the pressing under the cover creates a symmetrical cushion or channel structure. As a result, the local deformation in the region of the joints or joining sections, for example, the Sch spateinbrampf, lower.
  • the method according to the second variant of the invention in this respect is similar to the method of autofrettage, in which the targeted overstretching by means of internal pressure
  • this composite possesses an order of magnitude greater durability up to fatigue strength against pulsating and / or pulsating pressure loads, as may occur in the cooling system, when the system pressure frequently changes compared with the cooling jacket, which is separately pressed in according to the first variant of the invention and tightened around the motor.
  • the two-sided Elevations with respect to a connecting the joints or joining sections center line of the flow cavity run symmetrically.
  • the cooling jacket and / or heat exchanger is covered by a cover and / or spanned.
  • the cover with steel sheet and / or with a higher wall thickness than that of the inner or
  • the cooling jacket and / or heat exchanger is characterized by a structural integration with the cover in the manner of a
  • training protrude at the cooling jacket or heat exchanger the inlet and outlet means for cooling medium projecting through passages, which are formed in the wall of the cover shell.
  • the two heat conducting plates in the flat state or just, possibly congruent, superposed and welded at their edges or otherwise connected to form the solid composite are provided.
  • individual joints or sections are formed to form the solid composite through its outer side (s) and / or outer shell, whereby opposite inner sides of the inner and outer walls are connected to one another. It is expedient to attach the individual joints or sections by means of welding through the inner or outer wall.
  • the joints or - sections are produced by means of point, circle and / or line welding on the outside of the inner or outer wall.
  • the solid composite is adapted by means of deformation to the outer contour (s) of a product to be cooled to the cooling jacket or heat exchanger with the outside of its outer or inner wall in a whopping plant as possible to be cooled To bring the product.
  • Plate composite plastically deformed by means of a forming device or a support body whose outer contour corresponds to the product to be cooled.
  • the still flat plate composite is bent to form a cylindrical shape for forming or it is bent around a core or a support body to a cylindrical shape and connected to it opposite and / or abutting edges.
  • the plate composite can be held with the outside of its outer or inner wall by means of fixing in contact with the forming device or the support body.
  • the hydroforming is carried out by introducing a pressure medium such as compressed air or water between the inner and outer walls.
  • the use of a Forming device for forming the solid plate composite assumed, to form the solid composite on its outer side (s) and / or its outer jacket individual joints or sections are attached, whereby opposite inner sides or inner flats of the inner and outer walls are connected together.
  • hold-downs are brought into abutment with the outer surface (s) or the outer shell of the outer wall in the region of the joints or sections and / or in the region of a peripheral seam or a welded peripheral edge in order to bond with the outside of its outer - or
  • Inner wall to hold in contact with the forming device.
  • the outside of the outer or inner wall with a coating of viscoelastic polymer, casting and / or impregnating resin and / or another, the
  • the cooling jacket and / or heat exchanger is used for a impregnated with casting and / or impregnating stator of a housing-less electric machine.
  • the formed plate composite is brought with its inner wall in abutment against the stator, as long as the
  • Casting and / or impregnating resin is not completely cured.
  • the stator is soaked in the region of its outer edge or outer circumference with casting and / or impregnating resin.
  • an assembly of the cooling jacket on a solid product to be cooled is carried out prior to impregnation.
  • the inner wall is alone with their protruding elevations in heat transferring contact with the outer shell or the outer wall of the stator.
  • Cooling arrangement is a coating with preferably plastic deformable heat conduction between the outside of the inner wall and the outer contour of the product to be cooled.
  • the Verguss- or Tränkmasse is also between the outer side or the concave outer shell of the inner wall and the outer shell of the Stators or stator housing.
  • electric motors and generators preferably in caseless, vollgeblechter execution, as well as cooling or heating containers or reactors are suitable applications.
  • torque motors are suitable as cooling objects for the invention.
  • Figure 2 is a plan view of a still flat cooling jacket according to the invention
  • FIG. 3 is a perspective view of the cooling jacket already partly shaped on an inner tubular core
  • FIG. 4 is a perspective view of the slightly wavy outer jacket of the cooling jacket outer wall;
  • Figure 5 shows the over a cooled stator to be cooled by an electric motor, finished cooling jacket, and
  • Figure 6 shows the basic structure of a second variant of the cooling jacket according to the invention in a figure 1 corresponding cross-sectional view.
  • the cooling jacket according to the invention has an inner wall 1 and an outer wall 2, which are arranged concentrically or coaxially to each other and connected via individual, for example, circular welds 3 selectively or at discrete locations.
  • the outer wall 2 extends wavy or with partially outwardly radially offset contour and inwardly the outer shell of the inner wall 1 in the welds 3 tangent.
  • the outer wall 2 on its outer surface in the region of the welds 3 valleys or depressions 4, where between radially outwardly offset elevations 5 extend in convexly curved shape.
  • welds 3, 3a are arranged offset to one another in both axially parallel and in the circumferential direction, so that in the view of Figure 1 located behind a (visible) survey 5 (actually not visible and therefore only dashed lines indicated) welds 3a corresponding further
  • Form recesses 4a Overall, change on the outer surface of the outer wall 2 along a common, paraxial (perpendicular to the plane) escape recesses 4 with elevations 5a preferably uniformly. Between a convexly outwardly arched elevation 5 of the outer wall 2 and the inner wall 1 passages 6 for so far axially parallel flowing cooling fluid or cooling medium remain. The latter flows axially parallel until it along the axis-parallel escape to a (rear) connection or Welding point 3a abuts, so that the cooling fluid flow divides into a part in each of the adjacent flow passages 6, which define the (rear) weld 3a between them. As a result, the partially paraxial progressions of the coolant flow at the welds 3, 3a interruptions impressed, resulting in meandering evasive courses and associated whirls, which increases the cooling efficiency.
  • two are laid to form a double-walled cooling jacket, resulting in a later manufacturing step, the inner and outer walls 1, 2 of the cooling jacket.
  • the upper and lower parts are congruent.
  • the two sheet-metal heat conducting plates 7 are welded together around.
  • a meandering flow channel structure for the cooling medium and / or an offset, localized stapling of the sheet heat conducting plates 7 are produced by the welding process.
  • Welds 3, 3a formed. These are, for example, circular or otherwise rounded and connect in places, the two superimposed heat conducting plates 7, so that at their opposite inner flat sides corresponding joints arise. These are in the finished state of the cooling jacket
  • the elongated joining portions 10 are offset in the longitudinal direction (and thus in the finished state in the circumferential direction) alternately more towards the one edge 8 and towards the opposite other edge 8a.
  • the length of the elongated joining portions 10 is dimensioned so that they transversely transversely to the plate longitudinal direction (in the finished state according to Figure 4 paraxial) two rows I, Il or IV, V in the longitudinal direction of successive welds 3, 3a transversely prevail.
  • the elongated welding sections 10 each depart from welds of a row I, V or escape, which lie closest to the two longitudinal side edges 8, 8a. They each extend between two welds 3, which follow one another directly in their respective common row II, IV, wherein the respective row or flight II, IV one of the outermost rows I, V is closest.
  • the elongated welding sections 10 end in alignment with a central row III with welds 3a.
  • fixing holes 11 are still formed, which pass through the superposed heat conducting plates. As well as the welds
  • the fixing holes 11 are arranged at regular intervals from each other, thus for the
  • the resulting sheet sandwich is then bent to a cylinder jacket for a product to be cooled 19 and fixed in accordance with Figure 3 by means of fixing screws 12 which are complementary to the Fixierbohrungen 11 on a hollow cylindrical core 13.
  • the two transverse edges 14 of the sheet-metal sandwich are fixed to the outer jacket of the metallic core 13 by means of assembly welds 15, which can be removed again in a later production step.
  • assembly welds 15 can be removed again in a later production step.
  • the outer wall 2 visible only in FIG. 2 is penetrated by a pressure line 16, for example an inflation pipe, so that a pressurized fluid, for example compressed air, flows into the flow cavity 17 (not fully formed according to FIG. 3)
  • Heat conducting plates 7 and the inner and outer walls 1, 2 have been exposed to an internal pressure of certain height, so that this area plastically expanded or expanded to the flow cavity 17 has been.
  • the meandering structure produced by means of the abovementioned welding process is widened or opened to the flow cavity 17, so that a cooling fluid can flow in snake-like fashion between the two heat-conducting plates 7 or the inner and outer walls 1, 2 and between the welds 3, 3a.
  • the holes could be maintained with a correspondingly small diameter for a better penetration of the impregnating resin.
  • the cooling jacket is attached to the Umformkern 13 such that during the hydroforming
  • Fixing screws 12 are useful support means, for example in the form of known in forming hold-downs, which the outer shell of the outer wall 2 each locally limited to the area of the welds 3, 3a and optionally also the weld sections 10 and / or the circumferential weld targeted during inflation support inside the cooling jacket.
  • This allows a particularly good heat transfer between the outside of the object to be cooled, for example, the surface of an electric motor, and the inner jacket of the cooling jacket. It when the hold-down or other support means are aligned so that the cooling jacket is pressed with its inner wall 1 as perpendicular as possible or directly to the surface of the Umformkerns is particularly advantageous.
  • the cooling jacket thus produced is provided with inlet and outlet means 18, for example connecting pieces, which are preferably welded directly to the outer wall 2 in the area of the connecting bore of the cooling jacket passing through the outer wall 2.
  • inlet and outlet means 18 for example connecting pieces, which are preferably welded directly to the outer wall 2 in the area of the connecting bore of the cooling jacket passing through the outer wall 2.
  • This is expediently carried out in an edge and / or corner region of the cylindrically bent cooling jacket sheet sandwich. Whose when bending almost abutting, close opposite transverse edges 14 (see also Figure 2) are to the cooling jacket to the
  • Stator 19 to tension with (not shown) elastic tensioning means such. Spring clips or the same held together.
  • Elevations 5,5a of the outer shell 2 which rests on this from the inside to the cylindrical cover 22.
  • elastic and / or elastic-plastic deformation of cover shell 22 also occurs. whereupon this reacts with the exertion of a radial counter-pressure inwards on the cooling jacket or its outer wall 2.
  • the cooling jacket is pressed all the more firmly against the object to be cooled, for example stator 19.
  • Deformation of the cover shell 22 is also manifested on its outer surface by alternating depressions 224 and elevations 225, which are approximately congruent with the depressions 4, 4a and elevations 5, 5a of the outer jacket of the cooling jacket.

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Abstract

Kühlmantel und/oder Wärmetauscher zur Anlage an zu kühlende Festkörpererzeugnisse, insbesondere an elektrische Maschinen mit innerhalb oder außerhalb eines Stators rotierendem Läufer oder an Reaktoren oder Behältnisse, mit einer Innen- und Außenwandung, welche zwischen sich einen Strömungshohlraum begrenzen, der mit Ein- und Auslassmitteln für Kühlmedium und Leitmitteln zur Ausbildung und/oder Begrenzung wenigstens eines Strömungsweges für das Kühlmedium zwischen der Innen- und Außenwandung von den Einlass- und zu den Auslassmitteln versehen ist, wobei einander zugewandte einzelne Flachstellen oder Flachabschnitte der Innen- und Außenwandung innerhalb ihrer Ränder aneinander anliegen, und zwischen den anliegenden Flachstellen oder Flachabschnitten Durchgänge für das Kühlmedium verbleiben, und auf einer oder mehreren Außenseiten oder einem Außenmantel der Innen- und/oder Außenwandung eine oder mehrere Erhebungen und Vertiefungen abwechseln, wobeidie aneinander liegenden Flachstellen oder Flachabschnitte über einzelne Fügestellen und/oder längliche Fügeabschnitte dauerhaft verbunden sind.

Description

Kühlmantel insbesondere für elektrische Maschinen sowie Herstellungsverfahren dafür
[001] Die Erfindung betrifft einen Kühlmantel und/oder Wärmetauscher, welcher zur Anlage an zu kühlende Gegenstände fester Gestalt (Festkörpererzeugnisse) wie z. B. elektrische Maschinen,
Reaktoren oder Behältnisse, vorgesehen sind. Der Kühlmantel/Wärmetauscher weist eine Innen- und Außenwandung auf, welche zwischen sich einen Strömungs-Hohlraum begrenzen. Dieser ist mit Ein- und Auslassmitteln für Kühlmedium und mit Leitmitteln zur Ausbildung und/oder Begrenzung wenigstens eines Strömungsweges für das Kühlmedium versehen, wobei sich der Strömungsweg zwischen der Innen- und Außenwandung von den Einlassmitteln zu den Auslassmitteln erstreckt. Die Innenwandung weist eine glatte oder weitgehende geglättete Außenseite auf, die dem Festkörpererzeugnis bzw. zu kühlenden Gegenstand zur satten Anlage daran zugeordnet ist.
Insbesondere im Hinblick auf elektrische Maschinen mit Außenläufer und Innenstator liegt auch das umgekehrte Anordnungsprinzip im Rahmen der Erfindung, das heißt, die Außenwandung des Kühlmantels besitzt eine glatte Ober- beziehungsweise Außenfläche zur satten Anlage an zu kühlende Gegenstände fester Gestalt (Festkörpererzeugnisse).
[002] Gehäuse für Aggregate fester Gestalt, welche von Kühlspiralen oder Kühlkanälen durchsetzt sind, lassen sich nur mit großem Aufwand aus rostfreiem Chrom-Nickelstahl fertigen. Die Fertigung der Gehäuse ist aufwendig, und die Festkörperaggregate, beispielsweise Elektromotoren, müssen in solche Gehäuse eingeschrumpft werden. Das
Einbringen von Kühlschläuchen oder -röhren ist zeitaufwendig. Zu dem müssen die Schläuche oder Rohre noch mit geeigneten Anschlüssen für die Flüssigkeitszufuhr versehen werden, wozu in aller Regel Schläuche oder Verschraubungen mit Dichtungen eingesetzt werden. Beide Lösungen können durch Alterung undicht werden. Vielfach ist eine
Reparatur eines solchen Kühlsystems, wenn beschädigt oder undicht, in vielen Fällen nur schwer oder nicht mehr möglich. [003] Elektromotoren, bei denen das Statorblech von einem doppelwandigen Kühlmantel mit Strömungskanälen für Kühlmedium im
Inneren umfasst ist, sind beispielsweise von dem Hersteller „PHASE
MOTION CONTROL", 16141 Genua, Italien unter der Typenbezeichnung „Squid Torque Motor" bekannt. Ein innerer Gehäusemantel ist unmittelbar auf das Statorblechpaket aufgeschrumpft und mit nach radial außen vorspringenden Trennstegen versehen, die schraubenlinienartig umlaufen. Entsprechend verlaufen die dazwischen verbleibenden
Kühlkanäle auch schraubenlinienartig. Ein äußerer Gehäusemantel deckt diese Kühlkanäle nach außen ab.
[004] US-A-3 075 103 beschreibt einen mit Fluid durchströmten Kühlring für gekapselte Elektromotoren. Der Stator ist von einem Druckbehältnis umfasst. Ein darin baulich integrierter Wärmetauscher ist mit parallelen Nuten ausgebildet, die in die Innenfläche des Druckbehältnisses eingearbeitet sind. Die offene Seite der Nuten ist durch einen zur Motorwelle konzentrischen Stahlzylinder abgedeckt. An dessen nach radial innen gewandte Außenseite liegen Kühl-Kupferwicklungen an, welche in Wärmekontakt mit den Statorwicklungen stehen. Dazu ist die nach radial innen gewandte Oberfläche des Zylinder-Innenmantels gleichmäßig kreiszylindrisch ausgebildet. In gleichartiger Weise weist das
Druckbehältnis eine Außenmantelung mit glatter Oberfläche auf.
[005] US-A-30 09 072 beschreibt fluidgekühlte Motoren, welche von einem Kühlmantel umgeben sind. Ziel ist es, zwischen dem Elektroblech des Motors und/oder dessen Gehäuse und dem Kühlmantel einen möglichst intensiven Wärmekontakt herzustellen, bei kompakter
Bauweise. Dazu werden im Stator oder in der Motorwelle oder im Rotor und/oder in einem diese umgebenden, äußeren Gehäusemantel Nut- Kanäle ausgebildet. Zwischen dem Stator/Rotor-Elektroblech einerseits und dem äußeren Gehäusemantel andererseits wird zu deren Auskleidung eine Sandwichanordnung mit zwei konzentrischen Lagen oder Schichten eingeschoben. Die Sandwichanordnung befindet sich so dann zwischen dem äußeren Gehäusemantel einerseits und dem Elektroblech des Motors andererseits. In einem weiteren Herstellungsschritt wird ein Druckmedium zwischen den beiden Lagen der Sandwichanordnung eingeblasen, wodurch beide Sandwichlagen gegen die jeweiligen Oberflächen des Motor-Elektroblechs und des diesen umgebenden, äußeren Gehäusemantels gedrückt werden. Dabei drücken und bilden sich die in das Elektroblech und/oder die Innenwandung des äußeren Gehäusemantels eingearbeiteten Nut-Kanäle auf die jeweilige Lage oder Schicht der Sandwichanordnung ab. Dadurch entstehen Durchgänge für Kühlfluid zwischen den beiden Lagen der nun aufgeweiteten Sandwichanordnung. Allerdings besteht der Nachteil, dass nach Entweichen des Druckmediums aus der Sandwichstruktur diese sich leicht um einen elastischen Verformungsanteil rückverformen und dabei sich vom Elektroblech und/oder Gehäuse abheben kann, was den Wärme-Übergangswiderstand kritisch erhöht und die Effektivität der
Wärmeabfuhr verringert. Außerdem wird durch das Ausbilden von Nut- Kanälen im Elektroblech oder in der Gehäuseinnenwandung der Herstellungsaufwand erhöht.
[006] WO 00/54 991 beschreibt eine Anordnung mit einer durchströmten Abdeckung und einem elektrischen Radmotor innerhalb einer Radnabe, welche einen Reifen trägt. Durch die Mitte des elektrischen Rades wird Kühlluft geleitet und durch die Abdeckung gelenkt. Ein Abdeckring ist mit dem Radmotorrand mittels eines Spannelements verbunden.
[007] Wegen weiterer technischer Hintergrundliteratur wird auf
DE 1 231 797, DE 1 136 412, DE 961 186 und DE 28 36 903 verwiesen.
[008] Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem doppelwandigen Kühlmantel der gattungsgemäßen Art die
Herstellungsweise zu vereinfachen. Zur Lösung wird auf den im Anspruch 1 angegebenen Kühlmantel oder Wärmetauscher verwiesen. Ein
Herstellungsverfahren für einen solchen Kühlmantel oder Wärmetauscher ist im Anspruch 22 angegeben. Der Anspruch 39 gibt eine Kühl- Anordnung mit einer elektrischen Maschine und einem erfindungsgemäßen Kühlmantel oder Wärmetauscher an. Vorteilhafte, optionale Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
[009] Erfindungsgemäß sind zwischen der Innen- und Außenwandung innerhalb ihrer Ränder lediglich punktuell dauerhafte Verbindungsstellen oder -linien bzw. -abschnitte ausgebildet, zwischen welchen für Platz zur Schaffung von Kühlmittel-Strömungsdurchgängen im Strömungshohlraum gesorgt ist. Daraus resultiert eine nicht-glatte, der
Außenumgebung zugewandte Außenseite der Außenwandung. Erhebungen, welche durch die Strömungsdurchgänge gebildet sind, wechseln mit Vertiefungen, welche mit den Fügestellen bzw. Fügeabschnitten zusammenfallen, ab. So verläuft der Außenmantel der Außenwandung beispielsweise gegenüber einer Grundebene oder einem
Grundkreis oder -zylinder des Kühlmantels über die abwechselnden Erhebungen und Vertiefungen uneben bzw. wellig. Dadurch ist die mit der Außenumgebung in Kontakt stehende Außenfläche des Kühlmantels oder Wärmetauschers erheblich vergrößert, was die Effektivität des Wärmeübergangs verbessert. Relevant ist jedoch vor allem die Kühlung der glatten Mantelfläche von innen.
[0010] Bei der erfindungsgemäßen Kühlanordnung mit einer elektrischen Maschine und einem Kühlmantel/Wärmetauscher wird der Vorteil erzielt, gehäuselose bzw. vollgeblechte Statoren kühlen zu können, ohne dafür ein tragendes Gehäuse herstellen oder
Kühlschläuche oder -röhre in den Stator einziehen zu müssen.
Indem bei der Erfindung der Kühlmantel keinen mechanisch tragenden Bestandteil der Motorkonstruktion darstellt, ist eine vollständige Funktionstrennung zwischen mechanischer Tragstruktur und Kühlung gegeben. Dadurch kann die Wandstärke des Kühlmantels bzw. von dessen Innen- so wie Außenwandung einerseits sehr dünn gewählt werden, wodurch auch die Verwendung hochwertiger Materialien wie z.B. rostfreier Chrom-Nickelstahl wirtschaftlich ist. Insbesondere bei Verwendung dieses Werkstoffes lassen sich zweckmäßig Dicken von 0,3 -2,0 mm, beispielsweise 0,8 mm für die Innen- und Außenwände realisieren. Andererseits kann, wenn eine Flüssigkeitskühlung nicht benötigt wird, das gesamte Kühlsystem durch einfaches Weglassen oder Entfernen des Kühlmantels weggelassen werden.
[0011] Das beim oben angesprochenen Stand der Technik erörterte Problem - Abheben des doppelwandigen Kühlmantels von den in Begrenzungsflächen eingearbeiteten Nut-Kanälen, nachdem nach dem
Aufdrücken ein Entlasten von Umformdruck erfolgt ist - wird nach der Erfindung gezielt dadurch vermieden, dass das Ausbilden bzw. Aufblasen der Kanalstruktur auf einer separaten Vorrichtung erfolgt. Die sich ergebende, kissenartige Struktur wird erst nach Entlastung von Umformdruck auf das zu kühlende Objekt gespannt oder anderweitig permanent an dieses gedrückt. Dadurch ist ein direkter Kontakt der Wandung des Kanalsystems des Kühlmantels mit dem zu kühlenden Objekt sichergestellt.
[0012] Im Rahmen der Erfindung lassen sich die Fügestellen und/oder Abschnitte mit Heften bzw. Schweißen oder Löten herstellen.
Bei Schrauben und/oder Nieten sind noch zusätzliche Dichtmaßnahmen geboten. Das Heften bzw. Schweißen ist in sofern vorteilhaft, als sich dazu Schweißroboter einsetzen lassen, welche zur Anbringung der
Schweiß- bzw. Heftstellen vorab entsprechend programmiert sein können. Diese Programmierung kann beispielsweise derart vorgenommen sein, dass sich eine Anordnung der Fügestellen und/oder Fügeabschnitte ergibt, woraus sich mäanderartige Strömungswege des Kühlmediums, gegebenenfalls mit Verwirbelungen, ergeben. Ferner ergibt sich auf der
Basis der Erfindung die vorteilhafte Ausgestaltung, dass die Vertiefungen und/oder Strömungsleitmittel baulich einfach mit den Fügestellen und/oder Fügeabschnitten realisiert sind. [0013] Damit der Kühlmantel mit seiner Innenwandung satt an den zu kühlenden Festgegenstand anliegen kann, ist eine Formanpassung an den Festgegenstand notwendig, was beispielsweise mit einer Umformeinrichtung bewerkstelligt werden kann. In diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig, Montage- und/oder Fixiermittel an oder in der Außen- und/oder Innenwandung des Kühlmantels auszubilden, um die Befestigung an der Umformeinrichtung zu ermöglichen.
[0014] Zur Verbesserung des Wärmeübergangs kann der Kühlmantel/Wärmetauscher innen und/oder der zu kühlende
Festkörpergegenstand auf seinem Außenmantel oder -seite mit einer den Wärmeübergang verbessernden Beschichtung versehen werden. Vorzugsweise besteht diese Beschichtung aus einem viskoelastischem Polymer, das beispielsweise auf die Innenseite des Kühlmantels aufgetragen wird und nach der Montage des Kühlmantels kleine
Unebenheiten sowohl der Außenoberfläche des zu kühlenden Erzeugnisses als auch der Innenoberfläche des Kühlmantels ausgleicht. Derartige Beschichtungen lassen sich mit auf dem Markt erhältlichen Produkten, wie beispielsweise ISO-PUR K 750/HDI23-2000 (transparentes, ungefülltes, kalthärtendes 2-Komponenten-
Polyurethangießharz), angeboten von der Firma ISO-ELEKTRA GmbH, Im Mühlenfeld 5, 31008 Elze. Eine alternative PU-Vergussmasse lässt sich mit dem Produkt Rhenatech® PU 4714 FR mit Härter PU4900, angeboten von der Firma Beckelectrical insulation GmbH, Goßmannstraße 105, 20539 Hamburg, verwirklichen. Zweckmäßig werden derartige polymere viskoelastische Beschichtungen zur Verbesserung des Wärmeübergangs vor der Montage des Kühlmantels auf der Außenfläche des zu kühlenden Festköpererzeugnisses und/oder der Innenseite des Kühlmantels aufgebracht. An sich bekannt ist bereits die Verwendung von Wärmeleitpasten oder -klebstoffen. Nachteilig sind hierbei die Handhabung bei der Montage und die Verschmutzungsgefahr, insbesondere wenn das zu kühlende Erzeugnis samt Kühlmantel abschließend lackiert werden soll. Ein weiterer Vorteil mit der die Polymerbeschichtung umfassenden Ausbildung besteht darin, einen bereits montierten Kühlmantel/Wärmetauscher im Falle einer eventuellen Beschädigung einfach wieder vom Motor oder vom sonstigen zu kühlenden Erzeugnis abzunehmen und zu tauschen.
[0015] Zum Ausgleich von Unebenheiten, Zwischenräumen, freien Stellen oder der Gleichen zwischen der Außenseite der Kühlmantel-Innenwandung der gegenüberliegenden Außenseite des zu kühlenden Erzeugnisses besteht eine ergänzende oder alternative Möglichkeit darin, Vergussmasse bzw. Tränkharz, welche ohnehin für das
Statorblech oder die Statorwicklungen verwendet werden, zu dem genannten Zweck mit zu benutzen. Ein zusätzliches Beschichtungsmaterial für die genannten Zwecke könnte dann entfallen. So lange die Vergussmasse für den Stator oder dessen Wicklungen oder für ein sonstiges gleichartiges Erzeugnis noch nicht voll ausgehärtet ist, lässt sich im Rahmen der Erfindung zweckmäßig der Kühlmantel montieren. Dann entsteht automatisch eine Formanpassung der Vergussmasse an noch vorhandene Unebenheiten, freie Zwischenräume usw. zwischen den gegenüberliegenden Außenseiten des Kühlmantels und des zu kühlenden Erzeugnisses. So lange diese Vergussmasse bzw. das für Elektrobleche und Wicklungen von Statoren übliche Tränkharz noch nicht ausgehärtet ist, kann es sich zwischen den gegenüberliegenden Anlageflächen von Kühlmantel und zu kühlendem Erzeugnis ausbreiten und dadurch etwa noch vorhandene Wärmeübertragungslücken schließen. Bei Verwendung der ohnehin für das zu kühlende Erzeugnis wie Motorstator eingesetzten Vergussmasse kann der bei der zuvor erläuterten Erfindungsausbildung - Anbringen einer polymeren viskoelastischen Zwischenbeschichtung - dafür zusätzlich notwendige Arbeitsschritt entfallen. Unebenheiten auf dem Umfang des zu kühlenden Erzeugnisses wie z.B. Elektromotor und/oder an der Außenseite der Innenwandung des Kühlmantels lassen sich auch mit Vergussmasse ausfüllen bzw. ausgleichen. [0016] Es ist auch eine Erfindungsausbildung denkbar, wonach vor dem oben angesprochenen Tränkprozess der Kühlmantel montiert wird. Dadurch kann das Tränkharz zwischen dem Kühlobjekt, beispielsweise Stator, und dem Kühlmantel eindringen. Das Eindringen lässt sich gegebenenfalls noch dadurch verbessern, dass der Kühlmantel im Inneren jeder kreisförmigen Schweißung zum Verbinden von Innen- und Außenblech eine Bohrung aufweist, durch die auch an der Mantelfläche selbst beim Tränken Harz eindringen beziehungsweise Luft entweichen kann.
[0017] Gemäß einer optionalen Erfindungsausbildung sind beim Kühlmantel und/oder Wärmetauscher die Erhebungen und Vertiefungen konvex beziehungsweise konkav gewölbt.
[0018] Gemäß einer optionalen Erfindungsausbildung sind beim Kühlmantel und/oder Wärmetauscher die Fügestellen und/oder - abschnitte (10) mit Heften beziehungsweise Schweissen, Löten, Kleben,
Falzen, Durchsetzfügen, Schrauben und/oder Nieten realisiert.
[0019] Gemäß einer optionalen Erfindungsausbildung sind beim Kühlmantel und/oder Wärmetauscher die Fügestellen und/oder Fügeabschnitte im Bereich der Vertiefungen der jeweiligen Außenseite der Innen- oder Außenwandung angeordnet sind.
[0020] Gemäß einer optionalen Erfindungsausbildung sind beim Kühlmantel und/oder Wärmetauscher die Vertiefungen und/oder Strömungs-Leitmittel mit den Fügestellen und/oder Fügeabschnitten realisiert.
[0021] Gemäß einer optionalen Erfindungsausbildung wechseln sich beim Kühlmantel und/oder Wärmetauscher, der eine zylindrische und/oder längliche und/oder rotationssymmetrische Grundform aufweist - in einer Flucht parallel oder entsprechend der Zylinder-, Längs- oder Symmetrieachse gesehen - auf der Außenfläche oder -seite der Innen- oder Außenwandung Erhöhungen mit Vertiefungen ab, wobei jede Erhöhung oder Vertiefung allseits jeweils von außerhalb der Flucht gelegenen Vertiefungen beziehungsweise Erhöhungen begrenzt ist.
[0022] Gemäß einer optionalen Erfindungsausbildung sind beim Kühlmantel und/oder Wärmetauscher die Strömungs-Leitmittel mit den Fügestellen und/oder Fügeabschnitten und/oder Verbindungsstellen oder -abschnitte zwischen der Innen- und Außenwandung realisiert.
[0023] Gemäß einer optionalen Erfindungsausbildung besteht beim Kühlmantel und/oder Wärmetauscher eine Anordnung der
Fügestellen und/oder Fügeabschnitte derart, dass der oder die
Strömungswege des Kühlmediums mäanderartig und/oder über
Verwirbelungen verlaufen.
[0024] Gemäß einer optionalen Erfindungsausbildung sind beim Kühlmantel und/oder Wärmetauscher, aufweisend eine zylindrischen und/oder längliche und/oder rotationssymmetrische
Grundform, in einer Umfangsrichtung um die Zylinder-, Längs- und/oder
Symmetrieachse mehrere längliche Fügeabschnitte der Innen- und
Außenwandung abwechselnd mehr zu einem Rand hin und mehr zu einem gegenüberliegenden Rand hin versetzt.
[0025] Gemäß einer optionalen Erfindungsausbildung sind beim Kühlmantel und/oder Wärmetauscher, aufweisend eine zylindrische und/oder längliche und/oder rotationssymmetrische Grundform, in einer Umfangsrichtung um die Zylinder-, Längs- und/oder Symmetrieachse und/oder in einer Richtung parallel zur Zylinder-, Längs- und/oder
Symmetrieachse mehrere Fügestellen und/oder Fügeabschnitte gegeneinander versetzt angeordnet.
[0026] Gemäß einer optionalen Erfindungsausbildung sind beim Kühlmantel und/oder Wärmetauscher die Fügestellen und/oder Fügeabschnitte mit regelmäßiger Struktur und/oder gleichmäßigen Abständen voneinander angeordnet.
[0027] Gemäß einer optionalen Erfindungsausbildung sind beim Kühlmantel und/oder Wärmetauscher Montage- und/oder Fixiermittel an oder in der Außen- und/oder Innenwandung zur Befestigung an einer
Umformeinrichtung gegeben.
[0028] Gemäß einer optionalen Erfindungsausbildung sind beim Kühlmantel und/oder Wärmetauscher die Innen- und/oder Außenwände mit Blechteilen einer Dicke von 0,3 bis 2,00 mm, beispielsweise 0,8 mm, realisiert.
[0029] Gemäß einer optionalen Erfindungsausbildung sind beim Kühlmantel und/oder Wärmetauscher, aufweisend eine hohlzylindrische Grundform, wobei der Zylinder-Umfangsmantel eine achsparallele Stoßnaht oder Fuge aufweist, welche durch in Umfangsrichtung gegenüberliegende Ränder der Innen- und
Außenwandung gebildet ist, die gegenüberliegenden Ränder durch Federklammern, Krallfedern oder sonstige elastische Spannmittel und/oder Schweißstellen zusammen oder unmittelbar gegenüberliegend gehalten.
[0030] Um beim Kühlmantel und/oder Wärmetauscher einen effektiven Wärmeaustausch zwischen der dem zu kühlenden Gegenstand zugeordneten Anlageseite und der Außenumgebung zu gewährleisten, sind die Außen- oder Innenwandung mit einer glatten oder weitgehend geglätteten Außenseite zur satten Anlage an das Festkörpererzeugnis ausgebildet.
[0031] Bei den oben genannten Ausbildungen der ersten Erfindungsvarante ist ein separater Arbeitsschritt des Fixierens auf einer Umform-Vorrichtung notwendig. Ferner muss der so erhaltene Kühlmantel noch durch geeignete Spannmittel auf dem zu kühlenden Motor oder einem sonstigen Kühlobjekt fixiert werden. Hierbei ist eine hohe Spannkraft in Umfangsrichtung notwendig, um einen ausreichenden Anpressdruck des Kühlmantels um das Kühlobjekt herum sicherzustellen.
[0032] Zur Kostenersparnis werden für den Kühlmantel bzw. seiner doppelwandingen Struktur dünne Bleche beispielsweise aus tenitischem Stahl verwendet, woraus allerdings eine gewisse Empfindlichkeit des Kühlmantels gegenüber mechanischen Beschädigungen von außen resultiert. Der Abhilfe dienen nachfolgende Erfindungsweiterbildungen:
[0033] Nachdem das den Kühlmantel darstellende
Blechsandwich nach seinem Verschweißen zu einem Zylindermantel gebogen wurde, wird es mit Anschlüssen versehen, die vorzugsweise in Form von Gewindeflanschen direkt an das Deckblech des Kühlmantels bzw. Blechsandwich angeschweißt werden. Nun wird ein zweiter Blechzylinder als Deckmantel gefertigt, der zur Kostenersparnis aus normalem Stahlblech bestehen kann. Dieser Mantel wird dickwandiger ausgeführt als die Einzelbleche des Kühlmantels. Wenn die Einzelbleche beispielsweise 0,8 Millimeter dick sind, beträgt die Dicke des Deckmantels beispielsweise 2,5 Millimeter oder mehr. Dieser Deckmantel wird mit Bohrungen oder sonstigen Durchbrüchen versehen, durch die später die Ein-/Auslass-Anschlussflansche oder sonstigen Anschlusselemente des Kühlmantels ragen können. Ferner wird der Deckmantel zu einem Zylinder verschweißt, je nach Abwicklung des Zylinders mittels einer Längs- oder auch mittels einer Spiralnaht. Der Deckmantel ist in seinen Abmessungen so bemessen, dass in dessen
Hohlraum der Kühlmantel mit nur geringem Spiel hinein passt. In einem nächsten Herstellungsschritt wird der Kühlmantel in den Deckmantel beziehungsweise dessen Hohlraum geschoben. Dadurch, dass der Kühlmantel selbst noch nicht zum Zylinder verschweißt ist, können die Gewindeflansche oder sonstigen Anschlusselemente bei geeigneter
Platzierung durch elastisches Verformen des Kühlmantels beim Einschieben von innen durch die vorbereiteten Bohrungen des Deckmantels gesteckt werden.
[0034] Zur Montage des Kühlmantels auf den Motor werden die beiden koaxial vormontierten Mäntel axial auf den zu kühlenden zylindrischen Motorabschnitt geschoben. Anschließend wird die
Kanalstruktur durch Hochdruckinnenumformung mittels Wasser oder Öl aufgedehnt. Hierbei ist nun ein viel höherer Druck notwendig als bei der oben beschriebenen ersten Erfindungsvariante mit optionalen Weiterbildungen, bei welchen der Kühlmantel alleine auf einer Umform- Vorrichtung fixiert und aufgedrückt wird. Durch den bei der zweiten
Erfindungsvariante einzusetzenden höheren Druck wird das dickere Blech des Deckmantels ebenfalls verformt. Im Gegensatz zum Kühlmantel, bei dem die Kanalstruktur entsteht, wird der Deckmantel vorwiegend in Umfangsrichtung gedehnt, je nach Innendruck elastisch oder elastisch- plastisch. Beim Zurücknehmen des Drucks führt die vorhandene, sehr hohe Vorspannung des Deckmantels zu einer großen radialen Kraftkomponente nach innen. Weil das Kanalbild des Kühlmantels eine Struktur relativ hoher Ortsfrequenz mit Materialanteilen in radialer Richtung darstellt, ist der Kühlmantel in radialer Richtung bei flächiger Krafteinleitung so steif, dass ein Großteil der Vorspannung im Deckmantel erhalten bleibt und deren radiale Komponente als Anpresskraft für den Kühlmantel wirksam wird, um diesen auf den Motor unter Verminderung des Wärmeübergangswiderstands zu drücken. Gegenüber dem Aufdrücken des Kühlmantels alleine auf einer Umform-Vorrichtung gemäß erster Erfindungsvariante entstehen bei der zweiten Erfindungsvariante durch den höheren, möglichen Druck beim Aufdrücken mit dem Deckmantel größere Berührflächen am Motor. Es erfolgt eine weitgehend vollständige Anpassung dieser Flächen an eventuelle Unebenheiten des Motor-Außenmantels, jedenfalls wenn diese Unebenheiten eine gewisse Ortsfrequenz nicht überschreiten. [0035] Zur Verbesserung des Wärmeübergangs kann der
Kühlmantel bzw. die Motoroberfläche auch hier wieder, wie bei der ersten
Erfindungsvariante, vor der Montage mit einer den Wärmeübergang verbessernden Beschichtung versehen werden, die dann auch noch kleine Unebenheiten höherer Ortsfrequenz ausgleicht.
[0036] Die zweite Erfindungsvariante zeichnet sich insbesondere durch den Ansatz aus, die den Kühlmantel darstellende Struktur direkt auf dem zu kühlenden Objekt, beispielsweise Stator eines Elektromotors, unter Verwendung des Deckmantels aufzudrücken, um auf diese Weise einen Querpressverbund aus Deckmantel, Kühlmantel und
Motor oder sonstigem, zu kühlenden Objekt (Reaktor, Gefäß, Behältnis) herzustellen. Ein Vorteil besteht darin, dass durch das Aufdrücken unter dem Deckmantel eine symmetrische Kissen- oder Kanalstruktur entsteht. Dadurch ist die lokale Verformung im Bereich der Fügestellen oder Fügeabschnitte, beispielsweise des Schweißnahteinbrands, geringer.
Zusätzlich entsteht durch den radialen Druck auf den Kühlmantel eine Druckvorspannung in den die Mäander- oder Kissenstruktur des Kühlmantels begrenzenden Schweißnähten. Damit ähnelt das Verfahren gemäß zweiter Erfindungsvariante in dieser Hinsicht dem Verfahren der Autofrettage, bei der durch das gezielte Überdehnen mittels Innendruck
Druckvorspannungen erzeugt werden. Dadurch besitzt dieser Verbund gegenüber dem gemäß erster Erfindungsvariante separat aufgedrückten und um den Motor gespannten Kühlmantel eine um Größenordnungen höhere Haltbarkeit bis hin zur Dauerfestigkeit gegenüber schwellenden und/oder pulsierenden Druckbelastungen, wie sie in Kühlsystem auftreten können, wenn häufig der Systemdruck wechselt.
[0037] Gemäß einer optionalen Erfindungsausbildung sind also beim Kühlmantel und/oder Wärmetauscher sowohl die
Innenwandung als auch die Außenwandung auf ihren jeweiligen Außenseiten mit mehreren, abwechselnden Erhebungen und
Vertiefungen ausgebildet. Vorzugsweise können die beidseitigen Erhebungen bezüglich einer die Fügestellen oder Fügeabschnitte verbindenden Mittellinie des Strömungshohlraums symmetrisch verlaufen.
[0038] Gemäß einer optionalen Erfindungsausbildung ist also der Kühlmantel und/oder Wärmetauscher von einem Deckmantel umfasst und/oder umspannt. Zweckmäßig ist der Deckmantel mit Stahlblech und/oder mit einer höheren Wanddicke als als die der Innen- oder
Außenwandung des Kühlmantels und/oder Wärmetauschers hergestellt.
[0039] Gemäß einer optionalen Erfindungsausbildung zeichnet sich der Kühlmantel und/oder Wärmetauscher durch eine bauliche Integration mit dem Deckmantel nach Art eines
Schrumpfverbandes aus.
[0040] Gemäß einer optionalen Erfindungsausbildung ragen beim Kühlmantel oder Wärmetauscher die Ein- und Auslassmittel für Kühlmedium vorspringend durch Durchgänge, die in der Wandung des Deckmantels ausgebildet sind.
[0041] Gemäß einer optionalen Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zum Bilden des festen Verbundes die zwei Wärmeleitplatten im Flachzustand beziehungsweise eben, möglicherweise kongruent, übereinander gelegt und an ihren Rändern verschweißt oder sonst verbunden.
[0042] Gemäß einer optionalen Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zum Bilden des festen Verbundes durch dessen Außenseite(n) und/oder dessen Außenmantel hindurch einzelne Fügestellen oder -abschnitte ausgebildet, wodurch gegenüberliegende Innenseiten der Innen- und Außenwandung miteinander verbunden werden. Zweckmäßig erfolgt das Anbringen der einzelnen Fügestellen oder -abschnitte mittels Schweißen durch die Innen- oder Außenwandung. Dabei können die Fügestellen oder - abschnitte mittels Punkt-, Kreis- und/oder Linienschweißens auf der Außenseite der Innen- oder Außenwandung erzeugt werden.
[0043] Gemäß einer optionalen Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der feste Verbund mittels Umformung an die Außenkontur(en) eines zu kühlenden Erzeugnisses angepasst, um den Kühlmantel oder Wärmetauscher mit der Außenseite seiner Außen- oder Innenwandung in eine möglichst satte Anlage an das zu kühlende Erzeugnis zu bringen.
[0044] Gemäß einer optionalen Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Umformung der noch flache
Platten-Verbund mittels einer Umformeinrichtung oder eines Stützkörpers plastisch verformt, dessen Außenkontur der des zu kühlenden Erzeugnisses entspricht. Zweckmäßig ist zur Umformung der noch flache Plattenverbund zu einer zylindrischen Form gebogen oder er wird um einen Umformkern oder einen Stützkörper zu einer zylindrischen Form gebogen und an dabei gegenüber liegenden und/oder aufeinander stoßenden Rändern verbunden. Insbesondere kann dabei der Platten- Verbund mit der Außenseite seiner Außen- oder Innenwandung mittels Fixiermittel in Anlage an die Umformeinrichtung oder den Stützkörper gehalten werden. Ferner kann optional der Platten-Verbund zu seinem
Fixieren im Bereich der Schweiss- oder sonstigen Fügestellen an den Stützkörper oder die Umformeinrichtung angepresst werden. Insbesondere erfolgt dieses Anpressen vor dem im Anspruch 22 angegebenen Schritt b) erfolgt.
[0045] Gemäß einer optionalen Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Innenhochdruck-Umformung mittels Einführen eines Druckmediums wie beispielsweise Druckluft oder Wasser zwischen die Innen- und Außenwandung.
[0046] Gemäß einer optionalen Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird von der Verwendung einer Umformeinrichtung zur Umformung des festen Plattenverbunds ausgegangen, wobei zum Bilden des festen Verbundes über dessen Außenseite(n) und/oder dessen Außenmantel einzelne Fügestellen oder -abschnitte angebracht werden, wodurch gegenüberliegende Innenseiten oder Innenflachstellen der Innen- und Außenwandung miteinander verbunden werden. Während der Phase des Innenhochdruck-Umformens werden Niederhalter an die Außenseite(n) oder den Außenmantel der Außenwandung im Bereich der Fügestellen oder -abschnitte und/oder im Bereich einer Umfangsnaht oder eines verschweissten Umfangsrandes in Anlage gebracht, um den Verbund mit der Außenseite seiner Außen- oder
Innenwandung in Anlage an die Umformeinrichtung zu halten.
[0047] Gemäß einer optionalen Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Außenseite der Außen- oder Innenwandung mit einer Beschichtung aus viskoelastischem Polymer, Gieß- und/oder Imprägnierharz und/oder einem sonstigen, den
Wärmeübergang verbessernden Schichtstoff versehen. Zweckmäßig wird dabei der Kühlmantel und/oder Wärmetauscher für einen mit Gieß- und/oder Imprägnierharz getränkten Stator einer gehäuselosen elektrischen Maschine verwendet. Der umgeformte Plattenverbund wird mit seiner Innenwandung in Anlage an den Stator gebracht, solange das
Gieß- und/oder Imprägnierharz noch nicht vollständig ausgehärtet ist. Zweckmäßig wird der Stator im Bereich seines Außenrandes oder Außenumfangs mit Gieß- und/oder Imprägnierharz getränkt. Insbesondere wird vor dem Tränken eine Montage des Kühlmantels an einem zu kühlenden Festkörpererzeugnis durchgeführt.
[0048] Gemäß einer optionalen Erfindungsausbildung bei der Kühl -Anordnung steht die Innenwandung allein mit ihren vorstehenden Erhebungen in Wärme übertragenden Kontakt mit dem Außenmantel beziehungsweise der Außenwandung des Stators.
[0049] Gemäß einer optionalen Erfindungsausbildung bei der
Kühl -Anordnung ist eine Beschichtung mit vorzugsweise plastisch verformbaren Wärmeleitmitteln zwischen der Außenseite der Innenwandung und der Außenkontur des zu kühlenden Erzeugnisses angeordnet.
[0050] Gemäß einer optionalen Erfindungsausbildung bei der Kühl -Anordnung, wobei Statorwicklungen der elektrischen Maschine mit einer Verguss- oder Tränkmasse vergossen oder durchtränkt sind, befindet sich die Verguss- oder Tränkmasse auch zwischen der Außenseite oder dem konkaven Außenmantel der Innenwandung und dem Außenmantel des Stators oder Statorgehäuses.
[0051] Für beide genannten Erfindungsvarianten stellen elektrische Motoren und Generatoren, vorzugsweise in gehäuseloser, vollgeblechter Ausführung, sowie zu kühlende oder zu heizende Behälter oder Reaktoren geeignete Anwendungsgebiete dar. Insbesondere Torquemotoren eignen sich als Kühlobjekte für die Erfindung.
[0052] Weitere Einzelheiten, Merkmale,
Merkmalskombinationen, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung sowie aus den Zeichnungen. Diese zeigen in:
Figur 1 in einer schematischen Querschnittsdarstellung die
Grundstruktur eines erfindungsgemäßen Kühlmantels
Figur 2 eine Draufsicht auf einen noch ebenen Kühlmantel gemäß Erfindung
Figur 3 in perspektivischer Darstellung den bereits teilweise auf einem inneren, rohrartigen Umformkern umgeformten Kühlmantel,
Figur 4 in perspektivischer Darstellung den leicht welligen Außenmantel der Kühlmantel-Außenwandung, Figur 5 den über einen zu kühlenden Stator eines Elektromotors übergezogenen, fertig gestellten Kühlmantel, und
Figur 6 die Grundstruktur einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Kühlmantels in einer Figur 1 entsprechenden Querschnittsdarstellung.
[0053] Gemäß Figur 1 weist der erfindungsgemäße Kühlmantel eine Innenwandung 1 und eine Außenwandung 2 auf, die zu einander konzentrisch bzw. koaxial angeordnet und über einzelne, beispielsweise kreisförmige Schweißstellen 3 punktuell bzw. an diskreten Stellen verbunden sind. Relativ zum kreiszylindrischen Verlauf der Innenwandung 1 verläuft die Außenwandung 2 wellig bzw. mit teilweise nach radial außen versetzter Kontur und nach innen den Außenmantel der Innenwandung 1 im Bereich der Schweißstellen 3 tangierend. So ergeben sich für die Außenwandung 2 auf ihrem Außenmantel im Bereich der Schweißstellen 3 Täler bzw. Vertiefungen 4, wo zwischen sich nach radial außen versetzte Erhebungen 5 in konvex gewölbter Form erstrecken. Wie entsprechend der axialen Stirnansicht der Figur 1 gestrichelt angedeutet, sind sowohl in achsparalleler als auch in Umfangsrichtung Schweißstellen 3, 3a zueinander versetzt angeordnet, sodass in der Ansicht gemäß Figur 1 die hinter einer (sichtbaren) Erhebung 5 befindlichen (eigentlich nicht sichtbaren und deshalb nur gestrichelt angedeuteten) Schweißstellen 3a entsprechende weitere
Vertiefungen 4a bilden. Insgesamt wechseln auf dem Außenmantel der Außenwandung 2 längs einer gemeinsamen, achsparallelen (senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden) Flucht Vertiefungen 4 mit Erhöhungen 5a vorzugsweise gleichmäßig ab. Zwischen einer konvex nach Außen gewölbten Erhöhung 5 der Außenwandung 2 und der Innenwandung 1 verbleiben Durchgänge 6 für insoweit achsparallel strömendes Kühlfluid oder Kühlmedium. Letzteres strömt so lange achsparallel, bis es entlang der achsparallelen Flucht auf eine (hintere) Verbindungs- bzw. Schweißstelle 3a stößt, sodass sich der Kühlfluidstrom zu je einem Teil in die nebeneinander verlaufenden Strömungsdurchgänge 6 aufteilt, welche zwischen sich die (hintere) Schweißstelle 3a begrenzen. Dadurch werden den teilweise achsparallelen Verläufen des Kühlmittelstroms an den Schweißstellen 3, 3a Unterbrechungen eingeprägt, woraus sich mäanderartige Ausweich-Verläufe und damit verbunden Wirbelungen ergeben, was die Kühleffektivität erhöht.
[0054] Gemäß Figur 2 werden zur Bildung eines doppelwandigen Kühlmantels zwei Wärmeleitplatten 7, beispielsweise flache Blechteile, bündig und deckungsgleich im ebenen Zustand über einander gelegt, woraus sich dann nach einem späteren Herstellungsschritt die Innen- und Außenwandungen 1 , 2 des Kühlmantels ergeben. Allerdings ist es nicht zwingend, dass Ober- und Unterteil deckungsgleich sind. In der Draufsicht der Figur 2 ist von den vorzugsweise gleich ausgeführten Wärmeleitplatten 7 nur die obere sichtbar. An ihren Rändern 8, 8a, 14 (gemäß dargestellter, länglichrechteckiger Grundform vier einzelne Seitenränder) werden die beiden Blech-Wärmeleitplatten 7 ringsum miteinander verschweißt. Zusätzlich wird durch den Schweißprozess eine mäanderförmige Strömungskanalstruktur für das Kühlmedium und/oder eine versetzte, örtlich begrenzte Heftung der Blech-Wärmeleitplatten 7 erzeugt.
[0055] Gemäß Ausführungsbeispiel der Figur 2 sind in Längsrichtung der beiden übereinander gelegten Wärmeleitplatten 7 mehrere, etwa parallel nebeneinander liegende Reihen I - V jeweils mit einzelnen, längs der jeweiligen Flucht hintereinander angeordneten
Schweißstellen 3, 3a ausgebildet. Diese sind beispielsweise kreisförmig oder sonst rundlich gestaltet und verbinden jeweils stellenweise die beiden übereinander liegenden Wärmeleitplatten 7, sodass an ihren gegenüberliegenden Innen-Flachseiten entsprechende Fügestellen entstehen. Diese stehen im fertig gestellten Zustand des Kühlmantels
(siehe Figur 4) dem Kühlmittelstrom als unüberwindbares Hindernis entgegen und müssen von diesem jeweils umströmt werden. Die Schweißstellen 3, 3a jeweils zweier nebeneinander liegender Reihen I, II; II, III... sind in Längsrichtung gegen einander versetzt angeordnet, wobei Schweißstellen 3, 3a zweier nicht unmittelbar nebeneinander verlaufender Reihen II, IV über eine gemeinsame, freie Querflucht 9 (quer zur Platten-Längsrichtung verlaufend) einander direkt gegenüberliegen. Durch den Versatz der Schweißstellen 3, 3a in Längsrichtung der Wärmeleitplatten 7 bzw. im fertig gestellten Zustand gemäß Figuren 4 und 5 in Umfangsrichtung wird eine vielfach wiederholte Umlenkung und damit ein mäanderartiger Verlauf des Kühlmittelstroms von einem Einlass zu einem Auslass gefördert.
[0056] Entsprechendes gilt gemäß Figur 2 auch für längliche, im gezeichneten Beispiel linear verlaufende Schweißabschnitte bzw. - nähte 10. Diese gehen jeweils von einer Schweißstelle 3, 3a aus, welche in Längsrichtung der Wärmeleitplatten 7 gesehen abwechselnd im
Bereich des einen Längsseitenrandes 8 und des anderen, gegenüberliegenden Längsseitenrandes 8a, dabei in Plattenlängsrichtung gegeneinander versetzt, platziert sind. Mit anderen Worten, die länglichen Fügeabschnitte 10 sind in Längsrichtung (und damit im fertig gestellten Zustand in Umfangsrichtung) abwechselnd mehr zu dem einen Rand 8 hin und zu dem gegenüberliegenden anderen Rand 8a hin versetzt.
[0057] Die Länge der länglichen Fügeabschnitte 10 ist so bemessen, dass sie quer zur Plattenlängsrichtung (im fertig gestellten Zustand gemäß Figur 4 achsparallel) jeweils zwei Reihen I, Il bzw. IV, V in Längsrichtung aufeinander folgender Schweißstellen 3, 3a quer durchsetzen. Dabei gehen die länglichen Schweißabschnitte 10 jeweils von Schweißstellen einer Reihe I, V bzw. Flucht aus, die den beiden Längsseitenrändern 8, 8a am nächsten liegen. Sie erstrecken sich jeweils zwischen zwei Schweißstellen 3, welche in ihrer jeweiligen gemeinsamen Reihe II, IV unmittelbar aufeinander folgen, wobei die jeweilige Reihe bzw. Flucht II, IV einer der äußersten Reihen I, V am nächsten liegt. Zweckmäßig enden die länglichen Schweißabschnitte 10 in der Flucht einer mittleren Reihe III mit Schweißstellen 3a.
[0058] Gemäß Figur 2 und dortigem Ausführungsbeispiel sind ferner noch Fixierbohrungen 11 ausgebildet, welche die übereinander liegenden Wärmeleitplatten durchsetzen. Ebenso wie die Schweißstellen
3, 3a und die Schweißabschnitte 10 sind die Fixierbohrungen 11 mit gleichmäßigen Abständen von einander angeordnet, damit für den
Außenmantel der Außenwandung eine regelmäßige und dicht gewellte
Struktur erstellbar ist. Insbesondere bei einer Serienfertigung kann es zweckmäßig sein, zusätzlich oder anstelle der Fixierbohrungen
Niederhalter einzusetzen.
[0059] Nach Fertigstellung gemäß Figur 2 wird das resultierende Blechsandwich anschließend zu einem Zylindermantel für ein zu kühlendes Erzeugnis 19 gebogen und gemäß Figur 3 mittels Fixierschrauben 12, die komplementär zu den Fixierbohrungen 11 ausgebildet sind, auf einem hohlzylindrischen Umformkern 13 fixiert. Die beiden Querränder 14 des Blechsandwich sind gemäß Figur 3 mittels Montageschweißstellen 15, die in einem späteren Herstellungsschritt wieder entfernt werden können, am Außenmantel des metallischen Umformkerns 13 fixiert. Insbesondere bei einer Serienfertigung kann es zweckmäßig sein, zusätzlich oder anstelle der Montageschweissstellen Niederhalter einzusetzen. Die in Figur 2 allein sichtbare Außenwandung 2 ist von einer Druckleitung 16, beispielsweise einem Aufblasrohr, durchsetzt, sodass ein Druckfluid, beispielsweise Druckluft, in den (gemäß Figur 3 noch nicht voll ausgebildeten) Strömungshohlraum 17
(siehe Figur 1 ) geleitet werden kann.
[0060] Gemäß Figur 4 ist nun über die Druckleitung 16 (siehe
Figur 3) mittels des Druckfluids der Bereich zwischen den beiden
Wärmeleitplatten 7 bzw. der Innen- und Außenwandung 1 , 2 einem Innendruck bestimmter Höhe ausgesetzt worden, sodass dieser Bereich plastisch zum Strömungshohlraum 17 aufgedehnt oder aufgeweitet worden ist. Die mittels des vorgenannten Schweißprozesses erzeugte Mäanderstruktur ist zu dem Strömungshohlraum 17 aufgeweitet bzw. geöffnet, sodass ein Kühlfluid zwischen den beiden Wärmeleitplatten 7 bzw. der Innen- und Außenwandung 1 , 2 sowie zwischen den Schweißstellen 3, 3a hindurch schlangenartig strömen kann.
[0061] Die Fertigung mittels Bohrungen und Fixierschrauben ist für kleine Stückzahlen oder für die Herstellung eines Funktionsmusters zweckmäßig. Bei einer Serienfertigung dürften stattdessen Niederhalter praktikabler sein. Dann könnten auch die oben angesprochenen Bohrungen innerhalb der kreisförmigen Schweißungen entfallen.
Andererseits könnten die Bohrungen mit entsprechend kleinem Durchmesser für ein besseres Eindringen des Tränkharzes beibehalten werden.
[0062] Mittels der Fixierschrauben 12 ist der Kühlmantel derart am Umformkern 13 befestigt, dass während des Innenhochdruck-
Umformens die (in Figuren 3 und 4 nicht sichtbare) Innenwandung 1 bzw. die entsprechende innere Wärmeleitplatte 7 nicht ausweichen kann und auf ihrer nach zum Umformkern 13 gerichteten Außenseite eine weitgehend glatte Außenfläche zur satten oder dichten Anlage an den zu kühlenden Gegenstand 19 erhält. Dem gegenüber prägt sich in die
Außenwandung 2 gemäß Figur 4 die bereits anhand von Figur 1 erläuterte Wellenstruktur mit Vertiefungen 4, 4a auf dem Außenmantel im Bereich der Schweißstellen 3, 3a und auch der Fixierbohrungen/Schrauben 11 , 12 und mit den Erhöhungen 5, 5a dazwischen ein. Alternativ oder zusätzlich zu den Fixierbohrungen 11 mit
Fixierschrauben 12 sind Stützmittel beispielsweise in Form von in der Umformtechnik an sich bekannten Niederhaltern zweckmäßig, welche den Außenmantel der Außenwandung 2 jeweils örtlich begrenzt auf den Bereich der Schweißstellen 3, 3a und gegebenenfalls auch der Schweißabschnitte 10 und/oder die umlaufende Schweißnaht gezielt während des Aufblasens im Inneren des Kühlmantels abstützen. Dabei kann sich bei der Außenwandung 2 eine leicht gewölbte bzw. wellenartige Struktur ausprägen, während die nach innen zum Kühlobjekt gerichtete Außenseite der Innenwandung 1 auf Grund der Anlage an dem Umformkern 13 mit seinem glatten Außenmantel glatt bleibt. Dadurch wird ein besonders guter Wärmeübergang zwischen der Außenseite des zu kühlenden Gegenstands, beispielsweise Oberfläche eines Elektromotors, und dem Innenmantel des Kühlmantels ermöglicht. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Niederhalter oder sonstigen Stützmittel so ausgerichtet sind, dass der Kühlmantel mit seiner Innenwandung 1 möglichst senkrecht bzw. direkt an die Oberfläche des Umformkerns angedrückt wird.
[0063] In einem weiteren Herstellungsschritt gemäß Figur 5 wird der so erzeugte Kühlmantel mit Ein- und Auslassmitteln 18, beispielsweise Anschlussstutzen versehen, die vorzugsweise direkt an die Außenwandung 2 im Bereich von die Außenwandung 2 durchsetzenden Anschlussbohrung des Kühlmantels angeschweißt werden. Dies erfolgt zweckmäßig in einem Rand- und/oder Eckbereich des zylindrisch umgebogenen Kühlmantel-Blechsandwich. Dessen beim Umbiegen nahezu aufeinander stoßende, nahe gegenüberliegende Querränder 14 (siehe auch Figur 2) werden, um den Kühlmantel um den
Stator 19 zu spannen, mit (nicht gezeichneten) elastischen Spannmitteln wie z.B. Federklammern oder der gleichen aneinander gehalten.
[0064] Gemäß Figur 6 sind bei dem gemäß einer zweiten Erfindungsvariante ausgebildeten, zylindrischen Kühlmantel nicht nur die Außenwandung 2 mit in Umfangsrichtung abwechselnden Vertiefungen 4,
4a und Erhebungen 5, 5a, sondern auch analog die Innenwandung 1 mit in Umfangsrichtung abwechselnden Vertiefungen 44, 44a und Erhebungen 55, 55a gestaltet. Diese auf beiden Seiten des Kühlmantels gewellte Struktur verläuft etwa symmetrisch zu einer im Strömungshohlraum 17 gedachten Mittel- beziehungsweise
Verbindungslinie M für die einzelnen Schweißstellen 3, 3a, worüber die Innen- und Außenwandung 1 ,2 des Kühlmantels aneinander geheftet sind. Aus den einzelnen Schweißstellen 3, 3a ergeben sich die Vertiefungen 4, 4a, 44, 44a, welche durch benachbarte Erhebungen 5, 5a, 55, 55a begrenzt sind (insoweit ähnlich wie nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ). In Abweichung von der
Erfindungsvariante nach Figuren 1 bis 5 ist gemäß Figur 6 der Strömungshohlraum 17 mit seiner kissen- oder mäanderartigen Struktur durch Aufblasen und Innenhochdruck-Umformen zwischen einem äußeren Deckmantel 22 und dem inneren Kühlobjekt, beispielsweise Stator 19 eines Elektromotors, aufgedrückt und aufgeweitet. Dabei ergeben sich, analog nach Figur 1 , Strömungswege jeweils zwischen einzelnen Schweißstellen 3, 3a. Beim Aufdrücken kommt es zu einer satten Anlage der Innenwandung 1 des Kühlmantels mit seinen Innenwand-Erhebungen 55,55a an den Außenmantel des zu kühlenden Objekts, beispielsweise Rotors 19. Entsprechendes gilt für die
Erhebungen 5,5a des Außenmantels 2, der über diese von innen an den zylindrischen Deckmantel 22 anliegt. Beim Prozess des Innenhochdruck- Umformens der über die Schweißstellen 3, 3a aneinander gehefteten Innen- und Außenwandung 1 , 2 des Kühlmantels zwischen dem Deckmantel 22 und beispielsweise dem Rotor 19 kommt es auch zu einer elastischen und/oder elastisch-plastischen Verformung des Deckmantels 22, worauf dieser mit der Ausübung eines radialen Gegendrucks nach Innen auf den Kühlmantel beziehungsweise dessen Außenwandung 2 reagiert. Dadurch wird der Kühlmantel um so fester auf das zu kühlende Objekt, beispielsweise Stator 19 gepresst. Die elastisch-plastische
Verformung des Deckmantels 22 äußert sich auf seiner Außenfläche ebenfalls durch abwechselnde Vertiefungen 224 und Erhebungen 225, welche etwa kongruent zu den Vertiefungen 4, 4a und Erhebungen 5, 5a des Außenmantels des Kühlmantels liegen.
Bezugszeichen-Liste
Innenwandung 2 Außenwandung
3,3a Schweißstellen
4,4a,44,44a Vertiefung
5,5a, 55,55a Erhebung
6 Durchgang
7 Wärmeleitplatte
8 Ränder, vier Seitenränder
8a gegenüberliegender Rand
I-V Reihen oder Flucht
9 Querflucht
10 länglicher Schweißabschnitt
11 Fixierbohrung
12 Fixierschraube
13 Umformkern
14 Querrand
15 Montageschweißstellen
16 Druckleitung
17 Strömungshohlraum
18 Ein- und Auslassmittel
19 Stator
20 Statorwicklung
21 Fuge
22 Deckmantel
224 Deckmantelvertiefung
225 Deckmantelerhebung
M Mittellinie
M \MANDANTENA-Z\MAND ANTEN B\0002 B \UMULLER\194TWO ANMELDEUNTERLAGEN MT DOC

Claims

Patentansprüche
1. Kühlmantel und/oder Wärmetauscher zur Anlage an zu kühlende Festkörpererzeugnisse, insbesondere an elektrische Maschinen mit innerhalb oder außerhalb eines Stators (19) rotierendem Läufer oder an Reaktoren oder Behältnisse, mit einer Innen- und Außenwandung (1 ,2), welche zwischen sich einen Strömungshohlraum (17) begrenzen, der mit Ein- und Auslassmitteln (18) für Kühlmedium und Leitmitteln zur Ausbildung und/oder Begrenzung wenigstens eines Strömungsweges für das Kühlmedium zwischen der Innen- und Außenwandung (1 ,2) von den Einlass- und zu den Auslassmitteln (18) versehen ist, wobei einander zugewandte einzelne Flachstellen oder Flachabschnitte der Innen- und Außenwandung (1 ,2) innerhalb ihrer Ränder aneinander anliegen, und zwischen den anliegenden Flachstellen oder Flachabschnitten
Durchgänge (6) für das Kühlmedium verbleiben, und auf einer oder mehreren Außenseiten oder einem Außenmantel der Innen- und/oder Außenwandung (2) eine oder mehrere Erhebungen (5,5a) und Vertiefungen (4,4a) abwechseln, dadurch gekennzeichnet, dass die aneinander liegenden Flachstellen oder Flachabschnitte über einzelne Fügestellen (3,3a) und/oder längliche Fügeabschnitte (10) dauerhaft verbunden sind.
2. Kühlmantel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (5,5a) und Vertiefungen (4,4a) konvex beziehungsweise konkav gewölbt sind.
3. Kühlmantel und/oder Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügestellen (3,3a) und/oder - abschnitte (10) mit Heften beziehungsweise Schweissen, Löten,
Kleben, Falzen, Durchsetzfügen, Schrauben und/oder Nieten realisiert sind.
4. Kühlmantel und/oder Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügestellen (3,3a) und/oder Fügeabschnitte (10) im Bereich der Vertiefungen (4,4a) der jeweiligen Außenseite der Innen- oder Außenwandung (2) angeordnet sind.
5. Kühlmantel und/oder Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (2) und/oder Strömungs-Leitmittel mit den Fügestellen (3,3a) und/oder Fügeabschnitten (10) realisiert sind.
6. Kühlmantel und/oder Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer zylindrischen und/oder länglichen und/oder rotationssymmetrischen Grundform, dadurch gekennzeichnet, dass - in einer Flucht (9) parallel oder entsprechend der Zylinder-, Längs- oder Symmetrieachse gesehen - sich auf der Außenfläche oder -seite der Innen- oder Außenwandung (2) Erhöhungen (5,5a) mit Vertiefungen (4,4a) abwechseln, wobei jede Erhöhung (5,5a) oder Vertiefung (4,4a) allseits jeweils von außerhalb der Flucht (9) gelegenen Vertiefungen (4,4a) beziehungsweise Erhöhungen (5,5a) begrenzt ist.
7. Kühlmantel und/oder Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungs-Leitmittel mit den Fügestellen (3,3a) und/oder
Fügeabschnitten (10) und/oder Verbindungsstellen oder -abschnitte zwischen der Innen- und Außenwandung (1 ,2) realisiert sind.
8. Kühlmantel und/oder Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anordnung der Fügestellen (3,3a) und/oder Fügeabschnitte (10) derart, das der oder die Strömungswege des Kühlmediums mäanderartig und/oder über Verwirbelungen verlaufen.
9. Kühlmantel und/oder Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer zylindrischen und/oder länglichen und/oder rotationssymmetrischen Grundform, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Umfangshchtung (I - V) um die
Zylinder-, Längs- und/oder Symmetrieachse mehrere längliche Fügeabschnitte (10) der Innen- und Außenwandung (1 ,2) abwechselnd mehr zu einem Rand (8) hin und mehr zu einem gegenüberliegenden Rand (8a) hin versetzt sind.
10. Kühlmantel und/oder Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer zylindrischen und/oder länglichen und/oder rotationssymmetrischen Grundform, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Umfangshchtung (I - V) um die Zylinder-, Längs- und/oder Symmetrieachse und/oder in einer
Richtung (9) parallel zur Zylinder-, Längs- und/oder Symmetrieachse mehrere Fügestellen (3,3a) und/oder Fügeabschnitte (10) gegeneinander versetzt angeordnet sind.
11. Kühlmantel und/oder Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügestellen (3,3a) und/oder Fügeabschnitte (10) mit regelmäßiger Struktur und/oder gleichmäßigen Abständen voneinander angeordnet sind.
12. Kühlmantel und/oder Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Montage- und/oder Fixiermittel (11 ,12) an oder in der Außen- und/oder Innenwandung (2,1 ) zur Befestigung an einer Umformeinrichtung (13).
13. Kühlmantel und/oder Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innen- und/oder Außenwände (1 ,2) mit Blechteilen einer Dicke von 0,3 bis 2,00 mm, beispielsweise 0,8 mm, realisiert sind.
14. Kühlmantel und/oder Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer hohlzylindrischen Grundform, wobei der Zylinder-Umfangsmantel eine achsparallele Stoßnaht oder Fuge (21 ) aufweist, welche durch in Umfangsrichtung (I - V) gegenüberliegende Ränder (14) der Innen- und Außenwandung (1 ,2) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüberliegenden Ränder (14) durch Federklammern, Krallfedern oder sonstige elastische Spannmittel und/oder Schweißstellen (15) zusammen oder unmittelbar gegenüberliegend gehalten sind.
15. Kühlmantel und/oder Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Außen- oder Innenwandung (1 ) mit einer glatten oder weitgehend geglätteten Außenseite zur satten Anlage an das Festkörpererzeugnis ausgebildet ist.
16. Kühlmantel und/oder Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Innenwandung (1 ) als auch die Außenwandung (2) auf ihren jeweiligen Außenseiten mit mehreren, abwechselnden Erhebungen (5,5a;55.55a) und Vertiefungen (4,4a;44,44a) ausgebildet sind,
17. Kühlmantel und/oder Wärmetauscher nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die beidseitigen Erhebungen (5,5a;55,55a) und/oder Vertiefungen (4,4a,44,44a) bezüglich einer die Fügestellen
(3,3a) oder Fügeabschnitte (10) verbindenden Mittellinie des Strömungshohlraums symmetrisch verlaufen.
18. Kühlmantel und/oder Wärmetauscher nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass er von einem Deckmantel (22) umfasst und/oder umspannt ist.
19. Kühlmantel und/oder Wärmetauscher nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckmantel (22) mit Stahlblech und/oder mit einer höheren Wanddicke als als die der Innen- oder Außenwandung (1 ,2) des Kühlmantels und/oder Wärmetauschers hergestellt ist.
20. Kühlmantel und/oder Wärmetauscher nach Anspruch 18 oder 19, gekennzeichnet durch eine bauliche Integration mit dem Deckmantel (22) nach Art eines Schrumpfverbandes.
21. Kühlmantel und/oder Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ein- und Auslassmittel (18) für Kühlmedium vorspringend durch Durchgänge ragen, die in der Wandung des Deckmantels (22) ausgebildet sind.
22. Verfahren zur Herstellung eines Kühlmantels und/oder
Wärmetauschers mit einer Innen- und einer Außenwandung (1 ,2) und einem Strömungsweg dazwischen für Kühlmedium, ausgebildet nach einem der Ansprüche 1 - 14, mit folgenden Schritten:
a) Bilden eines festen Verbundes aus zwei einzelnen flachen Blech-, Metall- oder sonstiger Wärmeleitplatten (7) als Innen- und Außenwandung (1 ,2), indem sie aneinander gelegt, an ihren jeweiligen Rändern und innerhalb der selben über einzelne Fügestellen (3,3a) und/oder einem oder mehrere, längliche
Fügeabschnitte (10) dauerhaft verbunden werden b) nach dem Schritt a) Erzeugen eines Strömungshohlraums (17) durch Innenhochdruck-Umformen zwischen der Innen- und Außenwandung (1.2)
c) nach dem Schritt a) oder b) Anbringen von Ein- und/oder
Auslassmitteln (18) für Kühlfluid, welche zu dem Strömungshohlraum (17) innerhalb des Verbundes geführt werden.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bilden des festen Verbundes die zwei Wärmeleitplatten (7) im
Flachzustand beziehungsweise eben, möglicherweise kongruent, übereinander gelegt und an ihren Rändern (14) verschweißt oder sonst verbunden werden.
24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bilden des festen Verbundes durch dessen Außenseite(n) und/oder dessen Außenmantel hindurch einzelne Fügestellen (3,3a) oder -abschnitte (10) ausgebildet werden, wodurch gegenüberliegende Innenseiten der Innen- und Außenwandung (1 ,2) miteinander verbunden werden.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Anbringen der einzelnen Fügestellen (3,3a) oder -abschnitte (10) mittels Schweißen durch die Innen- oder Außenwandung (1 ,2) erfolgt.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügestellen (3,3a) oder -abschnitte (10) mittels Punkt-, Kreis- und/oder Linienschweißens auf der Außenseite der Innen- oder Außenwandung (1 ,2) erzeugt werden.
27. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der feste Verbund mittels Umformung an die Außenkontur(en) eines zu kühlenden Erzeugnisses (19) angepasst wird, um den Kühlmantel oder Wärmetauscher mit der Außenseite seiner Außen- oder Innenwandung (1 ) in eine möglichst satte Anlage an das Erzeugnis (19) zu bringen.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umformung der noch flache Platten-Verbund (1 ,2;7) mittels einer Umformeinrichtung (13) oder eines Stützkörpers plastisch verformt wird, dessen Außenkontur der des zu kühlenden Erzeugnisses (19) entspricht.
29. Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umformung der noch flache Plattenverbund (1 ,2;7) zu einer zylindrischen Form gebogen ist oder um einen Umformkern (13) oder einen Stützkörper zu einer zylindrischen Form gebogen wird und an dabei gegenüber liegenden und/oder aufeinander stoßenden Rändern (14) verbunden wird.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Platten-Verbund (1 ,2;7) mit der
Außenseite seiner Außen- oder Innenwandung (1 ) mittels Fixiermittel (11 ,12) in Anlage an die Umformeinrichtung (13) oder den Stützkörper gehalten wird.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Platten-Verbund (1 ,2;7) zu seinem Fixieren im Bereich der Schweiss- oder sonstigen Fügestellen (3,3a) an den Stützkörper oder die Umformeinrichtung (13) angepresst wird.
32. Verfahren nach Anspruch 31 , dadurch gekennzeichnet, dass dieses
Anpressen vor dem Schritt b) erfolgt.
33. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenhochdruck-Umformung mittels Einführen eines Druckmediums wie beispielsweise Druckluft oder Wasser zwischen die Innen- und Außenwandung (1 ,2) erfolgt.
34. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, unter Verwendung einer Umformeinrichtung (13) zur Umformung des festen Plattenverbunds (1 ,2;7), wobei zum Bilden des festen Verbundes über dessen Außenseite(n) und/oder dessen Außenmantel einzelne Fügestellen (3,3a) oder -abschnitte (10) angebracht werden, wodurch gegenüberliegende Innenseiten oder Innenflachstellen der Innen- und Außenwandung (1 ,2) miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass während der Phase des Innenhochdruck-Umformens Niederhalter an die Außenseite(n) oder den Außenmantel der Außenwandung (2) im
Bereich der Fügestellen (3,3a) oder -abschnitte (10) und/oder im Bereich einer Umfangsnaht oder eines verschweissten Umfangsrandes in Anlage gebracht werden, um den Verbund (1 ,2;7) mit der Außenseite seiner Außen- oder Innenwandung (1 ) in Anlage an die Umformeinrichtung (13) zu halten.
35. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite der Außen- oder Innenwandung (1 ) mit einer Beschichtung aus viskoelastischem Polymer, Gieß- und/oder Imprägnierharz und/oder einem sonstigen, den Wärmeübergang verbessernden Schichtstoff versehen wird.
36. Verfahren nach Anspruch 35, wobei der Kühlmantel und/oder Wärmetauscher für einen mit Gieß- und/oder Imprägnierharz getränkten Stator (19) einer gehäuselosen elektrischen Maschine verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der umgeformte Plattenverbund (1 ,2;7) mit seiner Innenwandung (1 ) in Anlage an den Stator (19) gebracht wird, solange das Gieß- und/oder Imprägnierharz noch nicht vollständig ausgehärtet ist.
37. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (19) im Bereich seines Außenrandes oder Außenumfangs mit
Gieß- und/oder Imprägnierharz getränkt wird.
38. Verfahren nach Anspruch 36 oder 37, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Tränken eine Montage des Kühlmantels an einem zu kühlenden Festkörpererzeugnis durchgeführt wird.
39. Kühl-Anordnung mit einer elektrischen Maschine oder mit einem Reaktor oder Behältnis, gekennzeichnet durch eine Umhüllung oder Umfassung der elektrischen Maschine oder deren Stators (19), des Reaktors oder des Behältnisses mit der Innenwandung (1 ) eines in einem der Ansprüche 1 bis 38 definierten Kühlmantels und/oder Wärmetauschers.
40. Kühl-Anordnung nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwandung (1 ) des Kühlmantels allein mit ihren vorstehenden
Erhebungen (55,55a) in Wärme übertragenden Kontakt mit dem Außenmantel beziehungsweise der Außenwandung des Stators (19) steht.
41. Anordnung nach Anspruch 39 oder 40, gekennzeichnet durch die
Anordnung einer Beschichtung mit vorzugsweise plastisch verformbaren Wärmeleitmitteln zwischen der Außenseite der Innenwandung (1 ) und der Außenkontur des zu kühlenden Erzeugnisses (19).
42. Anordnung nach Anspruch 39, 40 oder 41 , wobei Statorwicklungen
(20) der elektrischen Maschine mit einer Verguss- oder Tränkmasse vergossen oder durchtränkt sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verguss- oder Tränkmasse auch zwischen der Außenseite oder dem konkaven Außenmantel der Innenwandung (1 ) und dem Außenmantel des Stators (19) oder Statorgehäuses befindet.
M \MANDANTENA-Z\MANDANTEN B\0002 BAUMULLER\394TWO AMT DOC
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