EP2447658A1

EP2447658A1 - Wärmeübertragermodul und Wärmeübertrager

Info

Publication number: EP2447658A1
Application number: EP10189658A
Authority: EP
Inventors: Benjamin Weber; Christian GRÜTTNER; Marcos Bockholt; Jens Tepper
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 2010-11-02
Filing date: 2010-11-02
Publication date: 2012-05-02
Also published as: DE202010015374U1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmeübertragermodul (10, 50, 70, 92) mit einem Kühlkanalhohlraum (12, 52, 72), welcher durch wenigstens ein diesen umhüllendes flächiges Begrenzungselement (14, 16, 18, 20, 60+62, 66, 68) mit wenigstens einer längs des Kühlkanalhohlraums (12, 52, 72) verlaufenden hermetischen Verbindungsnaht (22, 24, 26, 28, 80) gebildet ist. Die dem Kühlkanalhohlraum (12, 52, 72) abgewandte Seite der wenigstens einen hermetischen Verbindungsnaht (22, 24, 26, 28, 80) ist in einen jeweiligen Sammelkanalhohlraum (30, 32, 56, 58) gerichtet, welcher seinerseits zu einem Teil aus einem Abschnitt einer an die Verbindungsnaht angrenzenden Außenfläche (34, 36) eines Begrenzungselementes (14, 16) begrenzt ist. Die Erfindung betrifft auch einen Wärmeübertrager (90, 110) mit mehreren erfindungsgemä-βen Wärmeübertragermodulen (10, 50, 70, 92), wobei deren Kühlkanalhohlräume (12, 52, 72) strömungstechnisch miteinander verbunden sind, deren Sammelkanalhohlräume (30, 32, 56, 58) in einem gemeinsamen Sammelhohlraum (118) münden und dieser eine Detektionsvorrichtung (120) für ein aus einem undichten Kühlkanalhohlraum (12, 52, 72) austretendem ersten Kühlmedium aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmeübertragermodul mit einem Kühlkanalhohlraum, welcher durch wenigstens ein diesen umhüllendes flächiges Begrenzungselement mit wenigstens einer längs des Kühlkanalhohlraums verlaufenden hermetischen Verbindungsnaht gebildet ist. Die Erfindung betrifft auch einen Wärmeübertrager mit mehreren erfindungsgemäßen Wärmeübertragermodulen.
Es ist allgemein bekannt, dass bei mit Verlusten behafteten Geräten wie beispielsweise einem Motor oder einem elektrischen Transformator ein Kühlsystem zur Abfuhr der durch die Verluste entstehenden Wärme vorzusehen ist. Im einfachsten Fall erfolgt eine Kühlung durch die das Gerät umgebende Luft, wobei bedarfsweise noch Kühlkanäle durch das Gerät vorzusehen sind, um die Kontaktfläche zur Luft zu vergrößern. Ebenso ist auch eine Kühlung durch beispielsweise Wasser aus der jeweiligen Umgebung möglich, welches dann durch besagte Kühlkanäle fließt.
In vielen Fällen ist es aber unerwünscht, dass das Kühlmedium Umgebungsluft oder Umgebungswasser direkt mit dem Gerät Kontakt hat. Dies kann beispielsweise bei Geräten der Fall sein, welche für Hochseeanwendungen konzipiert sind. Hier weist die Umgebungsluft einen hohen Salzgehalt auf, welcher das Gerät oder Teile desselben auf Dauer schädigen würde. So ist es beispielsweise bei elektrischen Transformatoren für Hochseeschiffe üblich, diese komplett gekapselt auszuführen und so vor den schädigenden Einflüssen von Meersalz zu schützen. Demgemäß ist es auch nicht möglich, die salzhaltige Meeresluft direkt als Kühlmittel durch den gekapselten Transformator zu leiten, vielmehr ist ein Wärmeübertrager vorzusehen, welcher die in einem ersten geschlossenen Kühlkreislauf aus dem Transformator transportierte Abwärme in einen zweiten Kühlkreislauf überträgt. Auf diese Weise ist nur der zweite Kühlkreislauf für die Belastung mit salzhaltigem Meereswasser auszulegen. Während der erste Kühlkreislauf ein geschlossenes System mit einem im Umlauf befindlichen Kühlmittel bildet, kann der zweite Kühlkreislauf offen sein, also ohne Umlauf und direkt von beispielsweise salzhaltiger Meeresluft oder salzhaltigem Meereswasser durchströmt.
Der erste Kühlkreislauf und auch ein verwendeter Wärmetauscher zur Kopplung mit dem zweiten Kühlkreislauf sind daher hermetisch geschlossen aufzubauen, so dass kein Kühlmittel austritt. Wenn dieses doch der Fall ist, ist ein baldiges Versagen des Kühlsystems nicht auszuschließen, was unter Umständen verheerende Folgen für das zu kühlende Gerät haben könnte. Besonders anfällig sind in diesem Zusammenhang die Wärmeübertrager, welche zur verbesserten Wärmeübertragung zumeist eine Vielzahl von Wärmetauschrohren aufweisen. Um eine Leckage des Kühlmittels im Kühlkreislauf insbesondere im Wärmeübertrager sicher zu erkennen, sind dessen Wärmetauschrohre zumeist doppelwandig ausgeführt, wobei im inneren Rohr die Kühlflüssigkeit fließt, und der Zwischenraum zu dem dieses radial umgebenden zweiten Rohr dem Zweck dient, eventuell durch ein Leck austretendes Kühlmittel zu sammeln und zu einem gemeinsamen Sammelort zu verbringen. Dort ist dann eine Detektionsvorrichtung vorgesehen, welche anhand einer Mindestmenge an austretendem Kühlmittel eine Leckage erkennt und ein entsprechendes Warn- oder Abschaltsignal generiert.
Nachteilig ist jedoch, dass die doppelwandigen Wärmetauschrohre sehr aufwändig zu fertigen sind und dass die Wärmeübertragung durch die Doppelwandigkeit reduziert ist, der Wirkungsgrad eines Wärmeübertragers mit derartigen Wärmetauschrohren also verringert ist.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Wärmetauschrohr beziehungsweise ein Wärmetauschmodul mit Möglichkeit zur Leckageentdeckung anzugeben, welches besonders einfach zu fertigen ist und einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Wärmeübertragermodul der eingangs genannten Art. Dieses ist dadurch gekennzeichnet, dass die dem Kühlkanalhohlraum abgewandte Seite der wenigstens einen hermetischen Verbindungsnaht in einen jeweiligen Sammelkanalhohlraum gerichtet ist, welcher seinerseits zu einem Teil aus einem Abschnitt einer an die Verbindungsnaht angrenzenden Außenfläche eines Begrenzungselementes begrenzt ist.
Die Grundidee der Erfindung besteht darin, den Kühlkanalhohlraum beziehungsweise den Kühlkanal aus möglichst einfachen Begrenzungselementen beziehungsweise Wandungskomponenten zu fertigen, welche dann längs der axialen Erstreckung des Kühlkanalhohlraums mit einer jeweiligen Verbindungsnaht zu einer hermetisch geschlossenen Hüllenstruktur verbunden werden. Dies kann im einfachsten Fall eine Blechplatte sein, welche in eine Zylinderform verformt wird, wobei die beiden dann aneinander grenzenden Enden beispielsweise mit einer hermetischen Naht verlötet oder verschweißt werden. Dies kann aber auch ein aus mehreren Begrenzungselementen zusammengesetzter Kühlkanal mit polygonalem Querschnitt sein, welcher - je nach Anzahl der Begrenzungselemente - zumindest mit einer hermetischen Naht zu einer hermetischen und den Kühlkanalhohlraum umschließenden Ringstruktur verbunden ist. Eine erfindungsgemäße Naht verläuft hierbei über die axiale Länge des Kühlkanalhohlraums. Je nach Auswahl der jeweiligen Begrenzungselemente und der daraus resultierenden Anzahl der hermetischen Nähte lässt sich die Fertigung eines Kühlkanals dadurch vorteilhaft vereinfachen.
Dieser Vereinfachung steht jedoch gegenüber, dass eine hermetische Naht eine potentielle Schwachstelle bezüglich der dauerhaften Dichtigkeit des Kühlkanalhohlraums ist, durch welche im Betrieb durch den Kühlkanal strömendes erstes Kühlmittel austreten könnte. Auf der anderen Seite weisen die Begrenzungselemente aufgrund ihrer beispielsweise einfachen plattenähnlichen Form eine geringere Anfälligkeit gegenüber möglichen Leckagen auf, als dies beispielsweise bei einem einfachen Rohr der Fall wäre. Die Auftrittswahrscheinlichkeit einer Leckage ist also im Vergleich zu einem Rohr nicht über dessen Außenfläche gleichverteilt, es werden vielmehr an den Nähten Bereiche mit erhöhter Leckagewahrscheinlichkeit und im flächigen Bereich der Begrenzungselemente Bereiche mit reduzierter Leckagewahrscheinlichkeit gebildet.
Daher ist erfindungsgemäß vorgesehen, einen jeweiligen Sammelkanal für eventuell aus einer undichten Stelle des Kühlkanals beziehungsweise des Kühlkanalhohlraums austretendes Kühlmittel nur an den potentiellen Schwachstellen des Kühlkanalhohlraums anzuordnen, also um die längs des Kühlkanals verlaufenden hermetischen Nahtstellen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass an den hermetischen Nähten austretendes Kühlmittel über Sammelkanalhohlräume zu einer Sammelstelle weitergeleitet wird, wo dann eine Detektion einer möglichen Leckage erfolgt. Auf der anderen Seite umschließt der Sammelkanalhohlraum nur einen kleineren Bereich des Außenumfangs des Kühlkanalholraums und beeinträchtigt auch nur dort den Wärmetausch. An den nicht bedeckten Bereichen ist der Wärmetausch ähnlich wie bei einem einwandigen Rohr nicht beeinträchtigt. Auf diese Weise ist ein einfach zu fertigendes Kühlkanalmodul mit Möglichkeit zur Leckageerkennung bereitgestellt, welches einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist.
In vorteilhafter Weise ist es auch vorgesehen, dass die dem Kühlkanalhohlraum abgewandten Seiten von wenigstens zwei Verbindungsnähten in einen gemeinsamen Sammelkanalhohlraum gerichtet sind. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn fertigungstechnisch bedingt zwei hermetische Nähte in geringem Abstand und parallel zueinander längs der Erstreckung des Kühlkanals verlaufen. Auf diese Weise kann die Anzahl an Sammelkanälen reduziert werden.
Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragermoduls weist der Kühlkanalhohlraum einen im Wesentlichen rechteckähnlichen Querschnitt auf, welcher an seiner unteren und oberen Seite durch jeweils eine Platte und an seinen beiden Seitenflächen durch jeweils eine hermetisch mit den Platten verbundene jeweilige Seitenleiste als Begrenzungselemente gebildet ist. Diese Geometrie lässt sich besonders einfach fertigen, indem beispielsweise eine waagerecht ausgerichtete untere Platte geeigneter Größe seitlich mit Seitenleisten versehen wird und anschließend die obere Platte auf die Seitenleisten aufgelegt wird. Die Seitenleisten können ohne weiteres breiter ausgeführt werden, als beispielsweise die Dicke der oberen und unteren Platte, wodurch die Kontaktfläche der Naht erhöht und die Wahrscheinlichkeit einer Leckage verringert wird. So ist es durchaus denkbar, eine Platte mit einer Dicke von wenigen Millimetern zu wählen und eine Leiste mit einer Breite von einigen Zentimetern.
Zudem bietet eine derartige Anordnung auch den Vorteil, dass nur ein verhältnismä-βig geringer Teil der Außenfläche des Kühlkanals von einem Sammelkanal bedeckt ist, welcher die Wärmeübertragung beschränkt. Eine geeignete Höhe eines Kühlkanals kann beispielsweise zwischen 1cm und 5cm liegen, während dessen Breite durchaus 50cm bis 1m betragen kann. Die axiale Länge eines Kühlkanals kann beispielsweise im Bereich von 1m bis 3m liegen. Ein jeweiliger Sammelkanalhohlraum bedarf nur eines geringen Querschnittes von wenigen Quadratzentimetern.
Entsprechend einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Wärmeübertragermoduls sind die Platten jeweils über den Kühlkanalhohlraum begrenzenden Bereich hinaus verbreitert, wobei wenigstens ein Sammelkanalhohlraum einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist, welcher wenigstens durch den verbreiterten Bereich der Platten, eine dem Kühlkanalhohlraum abgewandte Außenfläche einer der beiden Seitenleisten und eine weitere Leiste gebildet ist. Auf diese Weise lässt sich nur unter Verwendung einer weiteren Leiste auf sehr einfache Weise ein Sammelkanalhohlraum bilden, in den jeweils zwei dicht beieinander liegende hermetische Nähte münden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsform weisen die Platten in ihrem verbreiterten Bereich eine geringere Dicke auf als in ihrem den Kühlkanalhohlraum begrenzenden Bereich, wobei die obere und die untere Platte aus jeweils zwei zumindest abschnittsweise flächig miteinander verbundenen Einzelplatten gebildet ist. Diese Anordnung ist vergleichbar mit einer komplett doppelwandigen Ausführung des Kühlkanals, da nunmehr auch die obere und die untere Platte doppelwandig ausgeführt sind. Sollte die jeweils kühlkanalnahe Einzelplatte ein Leck aufweisen, so wird ein eventuell austretendes Kühlmittel durch eine infinitesimal dünne Ritze zwischen den beiden Einzelplatten ebenfalls in einen Sammelkanalhohlraum geleitet und sodann das Leck detektiert werden.
Bevorzugter Weise ist beiderseits des Kühlkanalhohlraums ein jeweiliger Sammelkanalhohlraum mit rechteckförmigen Querschnitt vorgesehen. Auf diese Wiese sind alle hermetischen Nähte mit ihrer jeweiligen dem Kühlkanalhohlraum abgewandten Seite in einen von nur zwei Sammelkanalhohlräumen gerichtet. Zudem ist diese Anordnung aus nur sehr wenigen Begrenzungselementen zu fertigen.
Entsprechend einer weiteren Ausgestaltungsvariante ist der Kühlkanalhohlraum durch in diesem in axialer Richtung verlaufende Wärmetauschrippen in mehrere Einzelkanäle unterteilt. Derartige Kühlrippen erhöhen die Kontaktfläche mit einem Kühlmedium, welches durch den Kühlkanal beziehungsweise den Kühlkanalhohlraum strömt, und verbessern somit den Wärmeaustausch. Derartige Rippen können sowohl einfache Bleche sein, beispielsweise aus Aluminium, welche in den Kühlkanal hineinragen, ohne dass die dadurch gebildeten Einzelkanäle zwangsläufig hermetisch voneinander getrennt wären. Ebenso ist auch die Verwendung eines gewellten Bleches denkbar. Je nach Auswahl und Anordnung der Wärmetauschrippen wird zudem die mechanische Stabilität des Kühlkanals in vorteilhafter Weise erhöht.
In vorteilhafter Weise ist ein Wärmeübertragermodul überwiegend aus einem Metall gefertigt, beispielsweise Aluminium oder Edelstahl. Derartige Metalle zeichnen sich durch eine hohe und Wärmeleitfähigkeit und Stabilität aus. Zudem lassen sie sich einfach durch einen Lötvorgang miteinander verbinden. So ist es bei der Fertigung eines Wärmeübertragermoduls aus Platten und Leisten beispielsweise besonders einfach, die jeweiligen Leisten mit einer Lötpaste mit den jeweils angrenzenden Platten zu verbinden, wobei der Eigentliche Lötvorgang dann erst durch ein Erhitzen des gesamten Wärmeübertragermoduls auf eine Löttemperatur erfolgt. Wie bereits zuvor erwähnt erweist es sich als vorteilhaft, die Breite der Leisten entsprechend groß, beispielsweise einige Zentimeter, zu wählen, um so eine besonders breite und hochwertige Nahtstelle zu gewährleisten.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch einen Wärmeübertrager der eingangs genannten Art. Dieser ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanalhohlräume der verwendeten Kühlkanalmodule strömungstechnisch miteinander verbunden sind, dass deren Sammelkanalhohlräume in einem gemeinsamen Sammelhohlraum münden und dass dieser eine Detektionsvorrichtung für ein aus einem undichten Kühlkanalhohlraum austretendem ersten Kühlmedium aufweist.
Das strömungstechnische Verbinden der Kühlkanalhohlräume von mehreren, beispielsweise zehn, Wärmeübertragermodulen kann sowohl eine reine Reihenschaltung, eine Parallelschaltung oder auch eine Mischform daraus bedeuten. In jedem Fall ist zu gewährleisten, dass ein hermetisch geschlossener Bereich gebildet ist, welcher über wenigstens eine Zuführöffnung und wenigstens eine Ablauföffnung verfügt. Nur auf diese Weise kann der Wärmeübertrager Teil eines geschlossenen Kühlkreislaufes sein. Die Sammelkanäle münden dabei in den Sammelhohlraum, so dass jedwedes durch ein eventuelles Leck aus einem der Kühlkanäle austretende Kühlmittel dorthin verbracht wird. Der Begriff ,münden' bedeutet nicht zwangsläufig, dass ein jeweiliger Sammelkanal direkt in den Sammelhohlraum geführt ist, vielmehr reicht es aus, wenn eine aus einem Sammelkanalhohlraum tropfende Flüssigkeit letztendlich in den Sammelhohlraum gelangt. Auf diese Weise ist ein sehr einfaches Sammeln einer Leckageflüssigkeit beziehungsweise austretenden Kühlmittels ermöglicht.
Eine Detektionsvorrichtung kann im einfachsten Fall ein zylindrisches Sammelgefäß mit einem Schwimmerelement sein, welches bei Vorhandensein einer Mindestmenge an Flüssigkeit ein entsprechendes Signal erzeugt, welches dann beispielsweise einem Steuersystem zur Verfügung gestellt wird. Ebenso ist es möglich, verschiedene Warnstufen entsprechend verschiedener Flüssigkeitsmengen vorzusehen oder auch andere Messprinzipien wie einen Feuchtigkeit- oder Flüssigkeitssensor zu verwenden. Als Folge einer Detektion kann beispielsweise sowohl ein Warnsignal als auch ein Abschaltsignal vorgesehen sein.
Im Weiteren erschließen sich die für das erfindungsgemäße Wärmeübertragermodul genannten Vorteile selbstverständlich auch für einen diese beinhaltenden Wärmeübertrager. Es sei bezüglich des Lötens von hermetischen Nahtverbindungen explizit erwähnt, dass auch ein kompletter Wärmeübertrager oder zumindest zusammengesetzte Komponenten desselben herstellungstechnisch zunächst in der gewünschten Anordnung gestapelt, an den Verbindungsnähten mit einer Lötpaste versehen und dann als Ganzes auf eine Löttemperatur erhitzt werden können, wodurch letztendlich eine feste und hermetische Verbindung gewährleistet ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers sind mehrere Wärmeübertragermodule übereinander angeordnet, wobei dazwischen jeweils ein von einem zweiten Kühlmedium durchströmbarer hermetisch von den Kanalhohlräumen der Wärmeübertragermodule getrennter Zwischenraumkanal gebildet ist. Durch eine derartige alternierende Übereinanderstapelung von Kühlkanälen und Zwischenraumkanälen ist eine besonders hohe Fläche für die Wärmeübertragung zwischen erstem und zweitem Kühlmittel gewährleistet.
Entsprechend einer Ausgestaltungsform der Erfindung münden zumindest einige der Kühlkanalhohlräume an ihren beiden Enden in einen jeweiligen sich hermetisch anschließenden gemeinsamen ersten beziehungsweise zweiten Verteilerhohlraum mit jeweiliger Zulauföffnung. Hierdurch ist eine Parallelschaltung der betreffenden Kühlkanalhohlräume erreicht. Es ist auch durchaus denkbar, zwei Gruppen von Kühlkanalrohren zu definieren und ein Kühlmittel in einer aus diesen beiden Gruppen gebildeten U-förmigen Schleife durch den Wärmeübertrager zu führen oder auch serpentinähnlich mehrere in Reihe geschaltete Schleifen zu bilden. Für die entsprechenden Wendepunkte der jeweiligen Schleifen an den jeweiligen Mündungen der Kühlkanalhohlräume sind ebenfalls Verteilerhohlräume vorzusehen. Im Betrieb ist der Wärmeübertrager in einen geschlossenen Kühlkreislauf eingebunden und dessen Kühlkanalhohlräume und Verteilerhohlräume mit einem ersten Kühlmedium gefüllt, weil sonst ein effizienter Wärmetausch nicht möglich wäre.
Bevorzugter Weise verläuft die Ausrichtung der Kühlkanalhohlräume quer zur Ausrichtung der Zwischenraumkanäle. Auf diese Weise lassen sich Zu- beziehungsweise Abführungen von erstem Kühlmittel, welches im Betrieb durch die Kühlkanäle strömt, und zweitem Kühlmittel, welches im Betrieb durch die Zwischenraumkanäle strömt, gut voneinander trennen. Ein Zwischenraumkanal kann prinzipiell auch durch ein jeweiliges Wärmeübertragermodul gebildet sein. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn als zweites Kühlmittel eine Flüssigkeit verwendet wird. In diesem Fall kann dann analog auch für das zweite Kühlmittel eine Leckagedetektion realisiert werden.
Die Vorteile eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers erstrecken sich auch auf einen Transformator, welcher diesen in einem entsprechenden Kühlsystem aufweist, beispielsweise bezüglich vereinfachter Fertigung oder besserer Kühlfähigkeit. Hierbei sind insbesondere Transformatoren im Leistungsbereich von einigen MVA und auch deutlich höher geeignet, weil diese eine entsprechende Kühlleistung erfordern.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten sind den weiteren abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung, weitere Ausführungsformen und weitere Vorteile näher beschrieben werden.
Es zeigen:

Fig. 1: einen Schnitt durch ein erstes Wärmeübertragermodul,
Fig. 2: einen Schnitt durch ein zweites Wärmeübertragermodul,
Fig. 3: einen Schnitt durch einen Seitenbereich eines dritten Wärmeübertragermoduls,
Fig. 4: einen ersten exemplarischen Wärmeübertrager sowie
Fig. 5: einen zweiten exemplarischen Wärmeübertrager.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt 10 durch ein erstes Wärmeübertragermodul. Der Kühlkanalhohlraum 12 weist einen rechteckförmigen Querschnitt auf, welcher an seiner oberen Seite durch eine obere Platte 18, an seiner unteren Seite durch eine untere Platte 20 und an seinen beiden Kanten durch eine erste 14 und eine zweite 16 Seitenleiste begrenzt ist. Die Seitenleisten weisen eine Breite auf, die höher ist als die Dicke der Platten 18, 20. Dadurch ist die Kontaktfläche zwischen Platten 18, 20 und Seitenleisten 14, 16 erhöht. Die eigentliche Verbindung ist durch jeweilige hermetische Nähte 22, 24, 26 und 28 realisiert, beispielsweise mittels einer Lötverbindung. Selbstverständlich sind auch weitere Verbindungsmethoden wie Kleben denkbar. Durch die erhöhte Kontaktfläche werden die Verbindungsstellen besonders hochwertig ausgeführt. Beiderseits des Kühlkanalhohlraums 12 sind zwei Sammelkanalhohlräume 30, 32 mit rechteckförmigem Querschnitt angeordnet. Diese sind an ihrer jeweiligen oberen und unteren Seite durch die obere 18 und untere 20 Platte begrenzt und an einer ihrer beiden Seitenkanten durch eine jeweils dem Kühlkanalhohlraum abgewandte Seite 34, 36 der jeweiligen Seitenleisten 14, 16. Die jeweils andere Kante ist durch eine jeweilige weitere Leiste 38, 40 begrenzt. Die weiteren Leisten 38, 40 sind ebenfalls hermetisch mit den Platten 18, 20 verbunden, da jedoch keine so extrem hohe Qualität der betreffenden Verbindungsnähte gefordert ist, sind die Seitenleisten 38, 40 etwas schmaler ausgeführt als die Seitenleisten 14, 16.
Diese Anordnung hat den Vorteil, dass sie insgesamt aus nur sechs Elementen 14, 16, 18, 20, 38, 40 mit einer geometrisch sehr einfachen Form zu fertigen ist. Die Elemente können während des Fertigungsprozesses einfach gestapelt und miteinander verbunden werden. Durch die wählbare Breite der Leisten 14, 16, 38, 40 kann die Qualität der betreffenden Verbindungsnähte einfach angepasst werden. Eine nachteilige Beeinflussung der Wärmeübertragung durch die Sammelkanalhohlräume 30, 32 erfolgt nur an den seitlichen Kanten, welche aber nur einen geringen Teil der Gesamtoberfläche des Kühlkanalhohlraums machen.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt 50 durch ein zweites Wärmeübertragermodul. Dieses weist ebenfalls einen Kühlkanalhohlraum 52 und zwei seitliche Sammelkanalhohlräume 56, 58 auf. Der Kühlkanalhohlraum 52 ist seitlich begrenzt durch zwei Seitenleisten 66, 68, oben und unten durch zwei Platten. Diese sind aber jeweils aus zwei Einzelplatten zusammengefügt, wie mit den Bezugsziffern 60 und 62 für die obere Platte angedeutet. Dies hat zur Folge, dass der Kühlkanalhohlraum 52 quasi komplett doppelwandig ausgeführt ist, nämlich an den Seitenkanten in Form der Sammelkanalhohlräume 56, 58, an der Oberseite durch die zwei aneinandergrenzenden Einzelplatten 60, 62 und an der Unterseite ebenfalls durch zwei aneinandergrenzende Einzelplatten. Dennoch wird die Wärmeübertragung an der Ober- und Unterseite nur geringfügig beeinträchtigt, weil ein Kanalhohlraum quasi nur in Form einer dünnen Ritze besteht, und auch nur an den Flächenbereichen, wo keine Verbindung beispielsweise durch Klebstoff oder eine Lötstelle vorgesehen ist. Die äußere obere Platte 62 ist gegenüber der inneren oberen Platte 60 beiderseits um den Bereich 64 verbreitert und begrenzt teilweise die Sammelkanalhohlräume 56, 58, welche an ihren jeweiligen Außenseiten von weiteren Leisten Begrenzt sind. In dem Kühlkanalhohlraum 52 sind mehrere Wärmetauschrippen 54 angedeutet, welche vorzugsweise aus einem Metall sind und den Wärmeaustausch aufgrund einer größeren Kontaktfläche zum Kühlmittel verbessern.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt 70 durch einen Seitenbereich eines dritten Wärmeübertragermoduls mit undichter Verbindungsnaht, welches im Übrigen in etwa dem Wärmeübertragermodul aus Fig. 1 entspricht. Rechts ist ein mit einem Kühlmittel gefüllter Kühlkanalhohlraum 72 gezeigt. Aus diesem tritt wie mit dem Pfeil 76 angedeutet, eine geringe Menge Kühlmittel durch das dem Kühlkanalhohlraum zugewandten Ende einer undichten hermetischen Verbindungsnaht 80 in dieselbe ein. Auf der anderen Seite der hermetischen Verbindungsnaht 80 tritt das Kühlmittel an deren dem Kühlkanal abgewandter Seite aus, wie mit dem Pfeil 78 angedeutet, und tropft in den bereits teilweise mit Kühlmedium gefüllten Sammelhohlraumkanal 74. Von dort wird es, beispielsweise durch Gravitation, an ein Ende des Sammelhohlraumkanals bewegt und dann einem nicht gezeigten Sammelhohlraum zugeführt, wo dann eine Detektionsvorrichtung vorgesehen ist.
Fig. 4 zeigt einen ersten exemplarischen Wärmeübertrager 90. Dieser weist vier gleichartige, äquidistant übereinander angeordnete Wärmeübertragermodule 92 auf, welche von einem ersten Kühlmittel durchströmt werden, wie mit dem Pfeil 94 angedeutet. Zwischen den Wärmeübertragermodulen 92 sind hermetisch davon getrennte Zwischenraumkanäle 96 angeordnet, deren Ausrichtung quer zur Ausrichtung der Kühlkanalhohlräume der Wärmeübertragermodule 92 verläuft. Die Zwischenraumkanäle 96 weisen integrierte Wärmetauschrippen 100 auf, welche die Kontaktfläche des durch die Zwischenraumkanäle 96 fließenden zweiten Kühlmittels 98 verbessern. Es ist nicht zwangsläufig notwendig, dass die Zwischenraumkanäle hermetisch voneinander getrennt sind,
Fig. 5 zeigt einen zweiten exemplarischen Wärmeübertrager, welcher in seinem Grundaufbau dem Wärmeübertrager aus Fig. 4 entspricht. Zusätzlich gezeigt ist jedoch eine äußere Begrenzung eines Verteilerhohlraums 114, welcher strömungstechnisch alle vier Kühlkanalhohlräume der Wärmeübertragermodule parallel schaltet. Diese können dann über eine Zulauföffnung 116 mit einem Kühlmittel geflutet werden. Am gegenüberliegenden Ende ist dann ein - nicht dargestellter - weiterer Verteilerhohlraum, in dem das aus den Kühlkanalhohlräumen austretende Kühlmittel wieder zusammengeführt wird, und im weiteren einem nicht gezeigten, geschlossenen Kühlmittelkreislauf zugeführt wird, aus dem letztendlich das abgekühlte Kühlmittel wieder der Zulauföffnung 116 zugeführt wird. Die Sammelkanalhohlräume der Wärmeübertragermodule sind an ihren axialen Enden offen, so dass im Falle einer Undichtigkeit Kühlmittel in den jeweiligen Sammelkanalhohlraum übertritt, von wo es in einen Sammelhohlraum 118 tropft, wie mit der Pfeilrichtung 112 angedeutet. Von dort wird das herausgetretene Kühlmittel einer Detektionsvorrichtung 120 zugeführt, durch welche bei Überschreiten einer bestimmten Kühlmittelmenge ein Warnsignal generiert wird.

Bezugszeichenliste

10: Schnitt durch erstes Wärmeübertragermodul
12: Kühlkanalhohlraum des ersten Wärmeübertragermoduls
14: erste Seitenleiste des ersten Wärmeübertragermoduls
16: zweite Seitenleiste des ersten Wärmeübertragermoduls
18: obere Platte
20: untere Platte
22: erste hermetische Naht
24: zweite hermetische Naht
26: dritte hermetische Naht
28: vierte hermetische Naht
30: erster Sammelkanalhohlraum des ersten Wärmeübertragermoduls
32: zweiter Sammelkanalhohlraum des ersten Wärmeübertragermoduls
34: abgewandte Außenfläche der ersten Seitenleiste
36: abgewandte Außenfläche der zweiten Seitenleiste
38: erste weitere Leiste
40: zweite weitere Leiste
50: Schnitt durch zweites Wärmeübertragermodul
52: Kühlkanalhohlraum des zweiten Wärmeübertragermoduls
54: Wärmetauschrippen im Kühlkanalhohlraum
56: erster Sammelkanalhohlraum des zweiten Wärmeübertragermoduls
58: zweiter Sammelkanalhohlraum des zweiten Wärmeübertragermoduls
60: erste Einzelplatte
62: zweite Einzelplatte
64: verbreiterter Bereich der oberen Platte
66: erste Seitenleiste des zweiten Wärmeübertragermoduls
68: zweiten Seitenleiste des zweiten Wärmeübertragermoduls
70: Schnitt durch einen Seitenbereich eines dritten Wärmeübertragermoduls
72: Kühlkanalhohlraum mit Kühlmedium
74: Sammelkanalhohlraum mit Kühlmedium
76: Eintritt Kühlmedium in undichte hermetische Naht
78: Austritt Kühlmedium aus undichter hermetischer Naht
80: hermetische Naht
90: erster exemplarischer Wärmeübertrager
92: Wärmeübertragermodule
94: Flussrichtung erstes Kühlmedium durch Wärmeübertragermodule
96: hermetisch getrennte Zwischenraumkanäle
98: Flussrichtung zweites Kühlmedium durch Zwischenraumkanälen
100: Kühlrippen in hermetisch getrennten Zwischenraumkanälen
110: zweiter exemplarischer Wärmeübertrager
112: Tropfrichtung von Kühlmittel
114: äußere Begrenzung von Verteilerhohlraum
116: Zulauföffnung in Verteilerhohlraum
118: gemeinsamer Sammelhohlraum
120: Detektionsvorrichtung für Kühlmittel

Claims

Wärmeübertragermodul (10, 50, 70, 92) mit einem Kühlkanalhohlraum (12, 52, 72), welcher durch wenigstens ein diesen umhüllendes flächiges Begrenzungselement (14, 16, 18, 20, 60+62, 66, 68) mit wenigstens einer längs des Kühlkanalhohlraums (12, 52, 72) verlaufenden hermetischen Verbindungsnaht (22, 24, 26, 28, 80) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet,
dass die dem Kühlkanalhohlraum (12, 52, 72) abgewandte Seite der wenigstens einen hermetischen Verbindungsnaht (22, 24, 26, 28, 80) in einen jeweiligen Sammelkanalhohlraum (30, 32, 56, 58) gerichtet ist, welcher seinerseits zu einem Teil aus einem Abschnitt einer an die Verbindungsnaht angrenzenden Außenfläche (34, 36) eines Begrenzungselementes (14, 16) begrenzt ist.
Wärmeübertragermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Kühlkanalhohlraum (12, 52, 72) abgewandten Seiten von wenigstens zwei Verbindungsnähten (22, 24, 26, 28, 80) in einen gemeinsamen Sammelkanalhohlraum (30, 32, 56, 58) gerichtet sind.
Wärmeübertragermodul nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanalhohlraum (12, 52, 72) einen im Wesentlichen rechteckähnlichen Querschnitt aufweist, welcher an seiner unteren und oberen Seite durch jeweils eine Platte (18, 20, 60+62) und an seinen beiden Seitenflächen durch jeweils eine hermetisch mit den Platten verbundene jeweilige Seitenleiste (14, 16, 66, 68) als Begrenzungselemente gebildet ist.
Wärmetauschmodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (18, 20, 60+62) jeweils über einen den Kühlkanalhohlraum (12, 52, 72) begrenzenden Bereich hinaus verbreitert sind und dass wenigstens ein Sammelkanalhohlraum (30, 32, 56, 58) einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist, welcher wenigstens durch den verbreiterten Bereich (64) der Platten (18, 20, 60+62), eine dem Kühlkanalhohlraum (12, 52, 72) abgewandte Außenfläche (34, 36) einer der beiden Seitenleisten (14, 16, 66, 68) und eine weitere Leiste (38, 40) gebildet ist.
Wärmetauschmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (18, 20, 60+62) in ihrem verbreiterten Bereich (64) eine geringere Dicke aufweisen als in ihrem den Kühlkanalhohlraum (12, 52, 72) begrenzenden Bereich und dass die Platten (18, 20, 60+62) aus jeweils zwei zumindest abschnittsweise flächig miteinander verbundenen Einzelplatten (60, 62) gebildet sind.
Wärmeübertragermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beiderseits des Kühlkanalhohlraums (12, 52, 72) ein jeweiliger Sammelkanalhohlraum (30, 32, 56, 58) mit rechteckförmigen Querschnitt vorgesehen ist.
Wärmeübertragermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanalhohlraum (12, 52, 72) durch in diesem in axialer Richtung verlaufende Wärmetauschrippen (54) in mehrere Einzelkanäle unterteilt ist.
Wärmeübertragermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses zumindest überwiegend aus einem Metall gefertigt ist.
Wärmeübertragermodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die hermetischen Verbindungsnähte gelötet sind.
Wärmeübertrager (90, 110) mit mehreren Wärmeübertragermodulen (10, 50, 70, 92) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass deren Kühlkanalhohlräume (12, 52, 72) strömungstechnisch miteinander verbunden sind, dass deren Sammelkanalhohlräume (30, 32, 56, 58) in einem gemeinsamen Sammelhohlraum (118) münden und dass dieser eine Detektionsvorrichtung (120) für ein aus einem undichten Kühlkanalhohlraum (12, 52, 72) austretendem ersten Kühlmedium aufweist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wärmeübertragermodule (10, 50, 70, 92) übereinander angeordnet sind, wobei dazwischen jeweils ein von einem zweiten Kühlmedium durchströmbarer hermetisch von den Kanalhohlräumen der Wärmeübertragermodule (10, 50, 70, 92) getrennter Zwischenraumkanal (98) gebildet ist.
Wärmeübertrager einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Kühlkanalhohlräume (12, 52, 72) an ihren beiden Enden in einen jeweiligen sich hermetisch anschließenden gemeinsamen ersten beziehungsweise zweiten Verteilerhohlraum (114) mit jeweiliger Zulauföffnung (116) münden.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanalhohlräume (12, 52, 72) und die sich anschließenden Verteilerhohlräume (114) mit einem ersten Kühlmedium gefüllt sind.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung der Kühlkanalhohlräume (12, 52, 72) der Wärmeübertragermodule (10, 50, 70, 92) quer zur Ausrichtung des jeweiligen Zwischenraumkanals (98) verläuft.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraumkanal (98) durch ein jeweiliges Wärmeübertragermodul (10, 50, 70, 92) gebildet ist.
Transformator, dadurch gekennzeichnet, dass dieser einen Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 10 bis 15 aufweist.