ITMI20082094A1

ITMI20082094A1 - ELECTRIC RESISTOR EQUIPPED WITH ONE OR MORE INTERNAL THERMAL DISSIPATION CHANNELS CONFORMED TO CHIMNEY

Info

Publication number: ITMI20082094A1
Application number: IT002094A
Authority: IT
Inventors: Osvaldo Olindo Vettorello
Original assignee: Osvaldo Olindo Vettorello
Priority date: 2008-11-24
Filing date: 2008-11-24
Publication date: 2010-05-25
Also published as: IT1392470B1

Description

RESISTORE ELETTRICO DOTATO DI UNO O PIU' CANALI INTERNI DI DISSIPAZIONE TERMICA CONFORMATI A CAMINO ELECTRIC RESISTOR EQUIPPED WITH ONE OR MORE INTERNAL THERMAL DISSIPATION CHANNELS CONFORMING TO A CHIMNEY

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DESCRIZIONE DESCRIPTION

Campo di applicazione dell'Invenzione Field of application of the invention

La presente invenzione si riferisce ad un resistere elettrico dotato di uno o piÃ¹ canali interni di dissipazione termica conformati a camino. The present invention refers to an electrical resistor equipped with one or more internal heat dissipation channels shaped like a chimney.

Stato della tecnica State of the art

Uno dei problemi tecnologici piÃ¹ rilevanti dei resistor! di potenza riguarda la capacitÃ di smaltimento nell'ambiente circostante della potenza termica generata nel processo di conversione della potenza elettrica per effetto Joule. One of the most relevant technological problems of resistors! of power concerns the ability to dispose of the thermal power generated in the process of converting electrical power due to the Joule effect into the surrounding environment.

Considerando i resistori di potenza protetti da una custodia metallica, il meccanismo piÃ¹ utilizzato riguarda la convezione naturale nellâ€™aria e la conduzione verso il supporto meccanico che li ospita. Considering the power resistors protected by a metal case, the most used mechanism concerns the natural convection in the air and the conduction towards the mechanical support that houses them.

La dimensione complessiva del resistere e la sua conformazione geometrica sono strettamente collegate ai canali di trasmissione di potenza termica utilizzati e allâ€™efficienza termica con cui il resistere scambia calore con lâ€™ambiente circostante. The overall size of the resistor and its geometric conformation are closely linked to the heat power transmission channels used and to the thermal efficiency with which the resistor exchanges heat with the surrounding environment.

Lo stato dell'arte dei resistori di potenza protetti da una custodia metallica prevede essenzialmente tre tipologie geometriche: The state of the art of power resistors protected by a metal case essentially provides for three geometric types:

- Monodimensionale: resistere di forma molto allungata, con un buono scambio termico verso il supporto sottostante ed uno scambio termico verso il fluido fortemente dipendente dai dettagli geometrici dei lati esposti. - One-dimensional: resist with a very elongated shape, with a good heat exchange towards the underlying support and a heat exchange towards the fluid strongly dependent on the geometric details of the exposed sides.

- Bidimensionale: resistere piatto, con unâ€™elevata superficie di appoggio verso il supporto sottostante, tipicamente impiegato su un dissipatore per incrementarne significativamente prestazioni termiche altrimenti relativamente scarse. - Two-dimensional: resist flat, with a large support surface towards the underlying support, typically used on a heat sink to significantly increase its otherwise relatively poor thermal performance.

- Tridimensionale: resistere di dimensioni significative su tutti gli assi, tipicamente giÃ dotato di una struttura conformata da dissipatore classico con alette e strutture tipiche dei dissipatori per convezione naturale. - Three-dimensional: withstand of significant dimensions on all axes, typically already equipped with a structure shaped like a classic heat sink with fins and structures typical of heat sinks by natural convection.

I dissipatori di potenza termica noti, anche di grandi dimensioni, sono concepiti per lâ€™utilizzo con dispositivi elettronici con una temperatura di impiego significativamente inferiore a 100 °C. Known thermal power dissipators, even of large dimensions, are designed for use with electronic devices with an operating temperature significantly lower than 100 ° C.

Tutte le conformazioni geometriche di dissipatori di potenza termica noti offrono al fluido di raffreddamento una superficie senza soluzione di continuitÃ , ed in generale il fluido riscaldato dalla vicinanza alla superficie del resistore Ã ̈ libero di dilatarsi in senso trasversale. Questo fenomeno rende rarefatto il fluido che geometricamente risale la superficie del resistore per effetto del galleggiamento, diminuendo progressivamente la quantitÃ di aria che accede al contatto con il resistore dal basso, e si disperde man mano che risale il resistore stesso. Questo fenomeno introduce una forte diminuzione di efficienza nello scambio termico in funzione dellâ€™altezza del dissipatore e per convezione naturale. Dissipatori di altezza superiore a 30-40cm vedono stabilizzarsi il coefficiente complessivo di scambio termico per convezione che diventa indipendente dallâ€™altezza (figura 1a, 1 b). All the geometrical conformations of known thermal power dissipators offer the cooling fluid a surface without continuity, and in general the fluid heated by its proximity to the surface of the resistor is free to expand in a transverse direction. This phenomenon rarefies the fluid that geometrically rises to the surface of the resistor due to floating, progressively decreasing the amount of air that comes into contact with the resistor from below, and disperses as the resistor rises. This phenomenon introduces a strong decrease in efficiency in the heat exchange as a function of the height of the heat sink and by natural convection. Heatsinks with a height greater than 30-40cm see the overall coefficient of heat exchange stabilize by convection which becomes independent of the height (figure 1a, 1 b).

In generale i resistori vengono qualificati con temperature di funzionamento nominali dipendenti dal tipo di impiego: vi sono tipologie di resistori impiegati a temperature di funzionamento prossime o superiori a 250 °C; temperature nominali superiori a 300°C sono la norma per resistori del tipo in custodia di alluminio, mentre temperature nominali superiori a 400°C sono tipiche per resistori in custodia di acciaio. In general, resistors are qualified with nominal operating temperatures depending on the type of use: there are types of resistors used at operating temperatures close to or above 250 ° C; Rated temperatures above 300 ° C are the norm for aluminum enclosed type resistors, while rated temperatures above 400 ° C are typical for steel enclosed resistors.

Per questi tipi di resistori Ã ̈ evidente che la dissipazione per convezione di tipo noto non Ã ̈ sufficiente. For these types of resistors it is evident that the known type of convection dissipation is not sufficient.

Sommario dellâ€™Invenzione Summary of the Invention

Pertanto scopo della presente invenzione Ã ̈ quello di superare tutti gli inconvenienti suddetti e di indicare un resistore elettrico dotato di uno o piÃ¹ canali interni di dissipazione termica conformati a camino. Therefore, the object of the present invention is to overcome all the aforesaid drawbacks and to indicate an electrical resistor equipped with one or more internal heat dissipation channels shaped like a chimney.

Eâ€™ particolare oggetto della presente invenzione un resistore elettrico dotato di uno o piÃ¹ canali interni di dissipazione termica conformati a camino, come meglio descritto nelle rivendicazioni, che formano parte integrante della presente descrizione. A particular object of the present invention is an electric resistor equipped with one or more internal heat dissipation channels shaped like a chimney, as better described in the claims, which form an integral part of the present description.

Breve descrizione delle figure Brief description of the figures

Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione particolareggiata che segue di un esempio di realizzazione della stessa (e di sue varianti) e dai disegni annessi dati a puro titolo esplicativo e non limitativo, in cui: Further objects and advantages of the present invention will become clear from the following detailed description of an example of its embodiment (and its variants) and from the annexed drawings given purely for explanatory and non-limiting purposes, in which:

nella figura 1 sono evidenziate forme di dissipatori di tipo noto; in figure 1 forms of known types of dissipators are highlighted;

nelle figure 2a, 2b, 2c e 3 sono evidenziate forme di dissipatori con camino secondo la presente invenzione. Figures 2a, 2b, 2c and 3 show forms of heat sinks with chimney according to the present invention.

Descrizione di dettaglio di esempi di realizzazione Detailed description of examples of realization

I resistor! elettrici in cui si applica preferibilmente la presente invenzione sono caratterizzati da elevate dimensioni e potenze elettriche. The resistors! in which the present invention is preferably applied are characterized by high dimensions and electrical powers.

Ad esempio un tipico resistere presenta: For example a typical resist has:

â€¢ potenza nominale media di 5kW alla temperatura superficiale di 430°C (T ambiente 20°C); â € ¢ average rated power of 5kW at a surface temperature of 430 ° C (ambient T 20 ° C);

â€¢ dimensioni complessive: lunghezza 25cm, larghezza 10cm, altezza 35cm; â € ¢ overall dimensions: length 25cm, width 10cm, height 35cm;

â€¢ valore ohmico 1 3,6 ohm per applicazioni tipiche di sollevamento; â € ¢ ohmic value 1 3.6 ohm for typical lifting applications;

â€¢ potenza di picco 40 kW per 30 secondi. â € ¢ 40 kW peak power for 30 seconds.

In accordo con la presente invenzione, viene realizzato un resistere con una conformazione ad anello (figura 2a), in cui, oltre alle superfici 2 di scambio convettivo con il fluido circostante, che formano la tradizionale superficie esterna alla geometria del resistere, viene creata almeno unâ€™ulteriore superficie interna 1 che forma un canale che attraversa verticalmente il resistere. In accordance with the present invention, a resistor with a ring conformation is realized (Figure 2a), in which, in addition to the convective exchange surfaces 2 with the surrounding fluid, which form the traditional surface external to the geometry of the resistor, at least a further internal surface 1 which forms a channel which vertically crosses the resistor.

Preferibilmente il fondo del resistere Ã ̈ sospeso rispetto allâ€™eventuale piano di appoggio inferiore, tramite un apposito piedistallo 5, creando tiraggio che consente al fluido di affluire ai canale interno piÃ¹ agevolmente. Preferably the bottom of the resistor is suspended with respect to any lower support surface, by means of a special pedestal 5, creating a draft which allows the fluid to flow into the internal channel more easily.

Questo canale interno 1 , che assume la funzione di camino, mette a disposizione per lo scambio convettivo un volume di fluido (frecce 3, 4) che non ha gradi di libertÃ trasversali. This internal channel 1, which assumes the function of a chimney, makes a volume of fluid available for convective exchange (arrows 3, 4) which has no transversal degrees of freedom.

Tutto il fluido in ingresso al camino lo attraversa, e partecipa allo scambio termico con il resistere. Si verifica unâ€™assenza di dispersione trasversale, che si traduce in un minore gradiente termico lungo lâ€™asse verticale a paritÃ di potenza scambiata, e quindi in una maggiore potenza assorbita dal fluido a paritÃ di temperatura. All the fluid entering the chimney passes through it, and participates in the heat exchange with the resist. There is an absence of transversal dispersion, which results in a lower thermal gradient along the vertical axis with the same power exchanged, and therefore in a greater power absorbed by the fluid at the same temperature.

Il camino interno puÃ² essere di una qualsiasi forma, ad esempio cilindrica o a parallelepipedo, di sezione costante o variabile. Lâ€™orientamento del camino Ã ̈ preferibilmente verticale; una sua eventuale inclinazione rispetto alla verticale deve comunque essere di entitÃ tale da non pregiudicare il naturale flusso verticale del fluido di raffreddamento al suo interno. The internal chimney can be of any shape, for example cylindrical or parallelepiped, with constant or variable section. The orientation of the chimney is preferably vertical; its possible inclination with respect to the vertical must in any case be of such an extent as not to compromise the natural vertical flow of the cooling fluid inside it.

Il camino interno presenta un contributo all'irraggiamento modesto, avendo una superficie affacciata verso lâ€™ambiente circostante di entitÃ limitata. The internal fireplace has a modest contribution to radiation, having a surface facing the surrounding environment of limited size.

Nel camino interno 1 Ã ̈ possibile realizzare alette interne 9 di suddivisione (fig. In the internal chimney 1 it is possible to make internal subdivision fins 9 (fig.

2c). La conformazione delle alette interne, la spaziatura, lâ€™eventuale inserimento di forature per ottenere un moto con turbolenza ottimale, sono funzionali alla massimizzazione dello scambio termico per via unicamente convettiva. 2c). The conformation of the internal fins, the spacing, the possible insertion of holes to obtain a motion with optimal turbulence, are functional to maximizing the heat exchange solely by convection.

Per incrementare ulteriormente lo scambio termico tra la superficie dissipante ed il fluido che la lambisce, Ã ̈ possibile inoltre realizzare superfici corrugate, fori per incrementare la turbolenza, trattamenti chimico-fisici per controllare la rugositÃ , ecc.. To further increase the heat exchange between the dissipating surface and the fluid that touches it, it is also possible to create corrugated surfaces, holes to increase turbulence, chemical-physical treatments to control roughness, etc.

In un esempio dimensionale, che si riferisce all'esempio di resistere su riportato, il camino presenta una superficie trasversale per il passaggio del fluido di circa 50 cm<2>, suddiviso in sezioni di 6,2 cm<2>circa tramite alette, per incrementare la superficie di scambio, a circa 2,5 cm lâ€™una dall'altra per una superficie di scambio complessiva di 2160 cm<2>. La sezione di passaggio e la superficie di scambio disponibile devono essere bilanciati per massimizzare lo scambio termico complessivo. In a dimensional example, which refers to the example of resisting shown above, the chimney has a transversal surface for the passage of the fluid of about 50 cm <2>, divided into sections of about 6.2 cm <2> by means of fins, to increase the exchange surface, about 2.5 cm from each other for a total exchange surface of 2160 cm <2>. The passage section and the available exchange surface must be balanced to maximize the overall heat exchange.

La conformazione esterna del resistere puÃ² essere di un qualsiasi tipo noto. La alettatura esterna ha tendenzialmente a disposizione uno spazio trasversale elevato e puÃ² raggiungere dimensioni e conformazioni tali da consentire l'inserimento di un camino 7 allâ€™interno dellâ€™aletta stessa 6 (fig. 3). The external conformation of the resist can be of any known type. The external fins tend to have a large transversal space available and can reach dimensions and conformations such as to allow the insertion of a chimney 7 inside the fin 6 itself (fig. 3).

Questo puÃ² essere formato a condizione che si abbia una sezione di passaggio coerente con la lunghezza del camino, e che la turbolenza del moto del fluido 8 al suo interno e lo spessore della parete di alluminio resti tale da non formare un gradiente termico sulla superficie della aletta significativo, e tale da non compromettere lâ€™efficacia dell'irraggiamento. This can be formed provided that there is a passage section consistent with the length of the chimney, and that the turbulence of the motion of the fluid 8 inside it and the thickness of the aluminum wall remains such as not to form a thermal gradient on the surface of the significant fin, and such as not to compromise the effectiveness of irradiation.

Sono possibili varianti realizzative all'esempio non limitativo descritto, senza per altro uscire daH'ambito di protezione della presente invenzione, comprendendo tutte le realizzazioni equivalenti per un tecnico del ramo. Implementation variants of the described non-limiting example are possible, without however departing from the scope of protection of the present invention, including all the equivalent embodiments for a person skilled in the art.

Dalla descrizione sopra riportata il tecnico del ramo Ã ̈ in grado di realizzare l'oggetto dellâ€™invenzione senza introdurre ulteriori dettagli costruttivi. From the above description the person skilled in the art is able to realize the object of the invention without introducing further construction details.

Claims

CLAIMS 1. Electric resistor equipped with one or more internal channels (1) of heat dissipation by convection shaped like a chimney in which a cooling fluid flows substantially vertically.

2. Electric resistor as in claim 1, in which the bottom of the resistor is suspended (5), with respect to a lower support surface, creating a draft which facilitates the flow of fluid to said one or more internal channels.

3. Electric resistor as in claim 1, wherein said one or more internal channels are of any shape, cylindrical or parallelepiped, of constant or variable section.

4. Electric resistor as in claim 1, wherein said one or more internal channels comprise internal subdivision fins (9).

5. Electric resistor as in claim 1, wherein said one or more internal channels have corrugated surfaces, or holes to increase turbulence, or chemical-physical treatments to control roughness.

6. Electric resistor as in any one of the preceding claims, comprising external cooling fins (6), further internal channels (7) shaped like a chimney being formed in said fins. (BOR / lm)