WO2017207205A1 - Fluidkanalanordnung für eine kühleinrichtung, insbesondere für einen kühlmantel einer elektrischen maschine - Google Patents

Fluidkanalanordnung für eine kühleinrichtung, insbesondere für einen kühlmantel einer elektrischen maschine Download PDF

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Definitions

  • Fluidkanalanordnunq for a cooling device, in particular for a cooling jacket of an electrical machine
  • the invention relates to a fluid channel arrangement for a cooling device, in particular for a cooling jacket of an electrical machine according to the preamble of patent claim 1, as described for example in DE 199 54 434 A1.
  • Electrical machine and other electronic components such as a power electronics for controlling an electric machine have to dissipate heat losses usually a cooling device, wherein a cooling medium flowing in a cooling channel absorbs the heat loss and transported away to a heat exchanger.
  • a cooling device wherein a cooling medium flowing in a cooling channel absorbs the heat loss and transported away to a heat exchanger.
  • it is an object to represent a spatially uniform cooling with a temperature distribution that is as homogeneous as possible over the entire circumference of a stator.
  • a short-circuit channel ie a bypass
  • the object of the invention is to present a generic fluid channel arrangement for a cooling device, in particular for a cooling jacket of an electrical machine, which allows a more uniform temperature distribution when flowing through a coolant in the distance region of the fluid connections.
  • the object of the invention is therefore initially to provide a fluid channel arrangement for a cooling device, in particular for a cooling jacket of an electrical machine with two fluid connections, which form a fluid inlet and a fluid outlet and which are spatially adjacent to one another while forming a mutual distance region.
  • a bridge channel extending at least essentially within the spacing region between the fluid connections is provided, wherein in the bridge channel a dividing wall is introduced, which prevents a flow connection between the fluid connections.
  • a main channel extends substantially outside the aforementioned distance region, which thus forms a major part of a heat exchange zone of the cooling device.
  • the entire fluid channel arrangement that is to say the distance region present between the fluid connections or the channel sections existing between a fluid connection and the dividing wall, is acted upon directly up to the dividing wall by a fluid flow of a coolant, so that fluid channel sections with "stationary cooling fluid" substantially It is also possible to avoid the formation of a bypass between the fluid connections and an undesired fluid mixing zone which occurs as a result.
  • the fluid connections can be spaced apart from one another within certain limits as hitherto by virtue of the proposed fluid channel arrangement Even further, gas accumulations and deposits in the mentioned distance region of the fluid channel arrangement can now be safely avoided.
  • the fluid guiding means may in principle be arranged in the region of the fluid inlet or also in the region of the fluid outlet.
  • the proposed solution is generally independent of a flow direction.
  • the partition wall formed in the bridge channel can be provided at any desired position, for example displaced approximately centrally or toward one of the fluid connections.
  • the dividing wall may be arranged in the bridge channel in the region of the fluid outlet. In this way, a portion of the fluid flow entering the fluid channel arrangement with a comparatively low temperature via the fluid inlet, ie, the bridge channel flow, can initially also flow through the essentially entire bridge channel and effectively cool the substantially entire distance region between the fluid connections.
  • the fluid guiding means provided in the fluid channel arrangement can in principle be represented in different ways and in the process include.
  • a channel intermediate wall drawn in the region of a fluid connection and extending at least partially in the direction of the respective other fluid connection can be provided, which ends at a distance in front of the partition wall or has a passage for diverting the flow direction of the bridge channel flow.
  • the fluid guiding means may also comprise a throttle which can be arranged in particular in connection with the abovementioned channel intermediate wall between the fluid connection and the main channel and through which the main channel partial flow can flow. Due to the throttle, the line cross section is narrowed and thus generates a local flow resistance.
  • the effect of the Fluidleitstoffs, in particular the throttle is to generate a pressure difference, by which a fluid flow is excited in the bridge channel.
  • the fluid guiding means in particular the throttle, can be effected for example by a local narrowing of the channel wall or by a corresponding shaping of the channel intermediate wall. It is possible to form the partition wall provided between the fluid connections as a fluid-conducting means and if appropriate also to form the throttle thereon.
  • a diaphragm can also be provided.
  • the fluid guiding means may also comprise, in addition to or instead of a fixed flow resistance, a variable flow resistance, such as a variable or adjustable throttle, in order to be able to set a locally desired temperature distribution even better.
  • a variable flow resistance such as a variable or adjustable throttle
  • FIG. 1 is a schematic representation of a fluid channel arrangement formed in the region of a fluid connection Fluidleitschn.
  • FIG. 1 schematically shows a fluid channel arrangement 10 for a cooling device, not illustrated in any more detail here, which can be provided in particular for a cooling jacket of an electrical machine.
  • the fluid channel arrangement 10 has two fluid connections 12 which, depending on a flow direction of a cooling fluid, form a fluid inlet 12a and a fluid outlet 12b and which are arranged spatially adjacent to one another to form a mutual distance region 14.
  • the fluid port 12 forms the fluid inlet 12a and the fluid port 12 the fluid outlet 12b, outside of the mutual distance region 14 extends a main channel 16, which forms the largest part of a cooling jacket and thus the main part of a heat exchange zone of the cooling device.
  • a fluid channel in the distance region 14 between the fluid connections 12, where it forms a bridge channel 18.
  • a partition wall 20 is provided, which prevents a flow connection between the fluid ports 12.
  • the dividing wall 20 is provided in the bridge channel 18 in the area of the fluid outlet 12b, in particular directly at the fluid outlet 12b.
  • fluid guide means 22 in the form of a channel intermediate wall 22a are provided in the region of the fluid inlet 12a, which extends from the fluid inlet 12a in the direction of the main channel 16 and also in the bridge channel 18 in the direction of the partition wall 20.
  • the channel intermediate wall 22a thus divides the bridge channel 18 into bridge channel sections 18a, b arranged in parallel but connected in series in flow.
  • the channel baffle 22a thus divides a fluid stream 24 entering through the fluid inlet 12a into a bridge channel flow 24a and into a main channel subflow 24b.
  • the flow direction of the bridge channel flow 24a within the bridge channel 18 is deflected by the partition wall 20, whereby the bridge channel flow 24a as well as the main channel partial flow 24b can flow in the direction of the main channel 16.
  • the bridge channel flow 24b is present outside the distance range 14 or outside the extension of the channel intermediate wall 22 in the main channel 16 with the Hauptkanal- Partial flow 24b again united to the fluid flow 24, which as a Hauptkanalflu- idstrom flows through the main channel 16 to the exit from the fluid outlet 12b.

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Abstract

Es wird eine Fluidkanalanordnung (10) für eine Kühleinrichtung beschrieben mit zwei Fluidanschlüssen (12), welche einen Fluideinlass (12a) und einen Fluidauslass (12b) bilden und die unter Ausbildung eines gegenseitigen Abstandsbereichs (14) räumlich zueinander benachbart angeordnet sind. Die Fluidkanalanordnung (10) umfasst einen sich zumindest im Wesentlichen innerhalb des Abstandsbereichs (14) erstreckenden Brückenkanal (18), in dem eine Trennwand (20) vorgesehen ist, welche eine Strömungsverbindung zwischen den Fluidanschlüssen (12) unterbindet und umfasst weiter einen sich im Wesentlichen außerhalb des Abstandsbereichs (14) erstreckenden Hauptkanal (16). Es wird vorgeschlagen, im Bereich eines der Fluidanschlüsse (12) Fluidleitmittel (22) vorzusehen, welche einen diesen Fluidanschluss (12) und den Hauptkanal (16) durchtretenden Fluidstrom (24) in einen Brückenkanalstrom (24a) und in einen Hauptkanalteilstrom (24b) aufteilen und wobei eine Strömungsrichtung des Brückenkanalstroms (24a) innerhalb des Brückenkanals (18) durch die Trennwand (20) umgelenkt wird und wobei der Brückenkanalstrom (24a) in Abhängigkeit von einer Strömungsrichtung im Bereich des Fluidanschlusses (12) oder im Hauptkanal (16) mit dem Hauptkanalteilstrom (24b) wieder zu dem Fluidstrom (24) vereinigt wird.

Description

Fluidkanalanordnunq für eine Kühleinrichtung, insbesondere für einen Kühlmantel einer elektrischen Maschine
Die Erfindung betrifft eine Fluidkanalanordnung für eine Kühleinrichtung, insbesondere für einen Kühlmantel einer elektrischen Maschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 , wie diese beispielsweise in der DE 199 54 434 A1 beschrieben ist.
Elektrische Maschine und andere elektronische Baugruppen, beispielsweise eine Leistungselektronik zum Steuern einer elektrischen Maschine weisen zur Abführung von Wärmeverlusten üblicherweise eine Kühleinrichtung auf, wobei ein in einem Kühlkanal strömendes Kühlmedium die Verlustwärme aufnimmt und zu einem Wärmetauscher wegtransportiert. Insbesondere bei einer elektrischen Maschine ist es dabei ein Ziel, eine räumlich gleichmäßige Kühlung mit einer über den gesamten Umfang eines Stators möglichst homogenen Temperaturverteilung darzustellen.
Es hat sich gezeigt, dass insbesondere im Bereich eines Fluideinlasses und Flu- idauslasses eines Kühlmantels lokale Überhitzungen auftreten können, welche die Ausbildung eines in Umfangsrichtung homogenen Temperaturprofils stören. Bei der in der oben erwähnten DE 199 54 434 A1 offenbarten elektrischen Maschine sind die Fluidanschlüsse durch eine Trennwand separiert. Bei der praktischen Umsetzung der dort vorgeschlagenen Lösung müssen die Fluidanschlüsse am Stator unter Berücksichtigung der Baugröße der Anschlüsse und einer Montagefreiheit jedoch soweit beabstandet werden, dass dieser Abstandsbereich, insbesondere ein jeweiliger Kanalabschnitt zwischen einem Fluidanschluss und der Trennwand nur ungenügend von dem Kühlmittel durchströmt und somit ungenügend gekühlt wird, was die Ausbildung von Hot Spots zur Folge haben kann. Außerdem können sich dort Rückstände, insbesondere organische Ablagerungen sammeln, was die Kühlung weiter vermindert.
Zur Verbesserung der Durchströmung kann in dem Bereich zwischen den Fluidan- schlüssen ein Kurzschlusskanal, also ein Bypass, vorgesehen werden. Es ist jedoch problematisch, die Volumenströme im Haupt- und Kurschlusskanal auf eine definier- te Kühlleistung einzustellen, dass sich auch eine gewünschte Temperaturverteilung ergibt.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine gattungsgemäße Fluidkanalanordnung für eine Kühleinrichtung, insbesondere für einen Kühlmantel einer elektrischen Maschine darzustellen, welche beim Durchfließen von einem Kühlmittel im Abstandsbereich der Fluidanschlüsse eine gleichmäßigere Temperaturverteilung ermöglicht.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch eine Fluidkanalanordnung für eine Kühleinrichtung mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Figurenbeschreibung entnehmbar.
Die Lösung der Aufgabe sieht demnach zunächst eine Fluidkanalanordnung für eine Kühleinrichtung, insbesondere für einen Kühlmantel einer elektrischen Maschine vor mit zwei Fluidanschlüssen, welche einen Fluideinlass und einen Fluidauslass bilden und die unter Ausbildung eines gegenseitigen Abstandsbereichs räumlich zueinander benachbart angeordnet sind. Dabei ist ein sich zumindest im Wesentlichen innerhalb des Abstandsbereichs zwischen den Fluidanschlüssen erstreckendender Brückenkanal vorgesehen, wobei in dem Brückenkanal eine Trennwand eingebracht ist, welche eine Strömungsverbindung zwischen den Fluidanschlüssen unterbindet. Weiter erstreckt sich im Wesentlichen außerhalb des zuvor genannten Abstandsbereichs ein Hauptkanal, der somit einen Hauptanteil einer Wärmeaustauschzone der Kühleinrichtung ausbildet.
Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, im Bereich eines Fluidanschlusses Fluidleitmittel vorzusehen, welche einen diesen Fluidanschluss und den Hauptkanal durchtretenden Fluidstrom in einen Brückenkanalstrom und in einen Hauptkanalteilstrom aufteilen. Der Brückenkanalstrom durchströmt somit den Bereich zwischen einem Fluidanschluss und der Trennwand, wobei eine Strömungsrichtung des Brü- ckenkanalstroms innerhalb des Brückenkanals durch die Trennwand umgelenkt wird. Schließlich wird der Brückenkanalstrom in Abhängigkeit von einer Strömungsrichtung im Bereich des Fluidanschlusses oder im Hauptkanal, insbesondere außerhalb des Abstandsbereichs, mit dem Hauptkanalteilstrom wieder zu dem Fluidstrom vereinigt.
Durch diese Ausbildung wird die gesamte Fluidkanalanordnung, also auch der zwischen den Fluidanschlüssen vorhandene Abstandsbereich bzw. die zwischen einem Fluidanschluss und der Trennwand existierenden Kanalabschnitte bis unmittelbar an die Trennwand heran mit einer Fluidströmung eines Kühlmittels beaufschlagt, so dass Fluidkanalabschnitte mit„stehendem Kühlfluid" im Wesentlichen vermieden werden und eine Homogenisierung eines Temperaturprofils erreicht werden kann. Gleichfalls kann auch die Ausbildung eines Bypasses zwischen den Fluidanschlüssen und eine in Folge auftretende unerwünschte Fluidmischzone vermieden werden. Als weiterer Vorteil können infolge der vorgeschlagenen Fluidkanalanordnung die Fluidanschlüsse innerhalb bestimmter Grenzen weiter als bisher üblich voneinander beabstandet werden. Noch weiter können nun auch Gasansammlungen und Ablagerungen im genannten Abstandsbereich der Fluidkanalanordnung sicher vermieden werden.
Die Fluidleitmittel können grundsätzlich im Bereich des Fluideinlasses oder auch im Bereich des Fluidauslasses angeordnet sein. Die vorgeschlagene Lösung ist allgemein von einer Strömungsrichtung unabhängig.
Grundsätzlich kann die im Brückenkanal ausgebildete Trennwand an einer beliebigen Position vorgesehen sein, zum Beispiel etwa mittig oder zu einem der Fluidanschlüsse hin verlagert. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Trennwand im Brückenkanal im Bereich des Fluidauslasses angeordnet sein. Auf diese Weise kann ein Teil des über den Fluideinlass in die Fluidkanalanordnung mit einer vergleichsweise niedrigen Temperatur eintretender Fluidstrom, das heißt der Brü- ckenkanalstrom zunächst auch den im Wesentlichen gesamten Brückenkanal durchströmen und den im Wesentlichen gesamten Abstandsbereich zwischen den Fluidanschlüssen effektiv kühlen.
Die in der Fluidkanalanordnung vorgesehenen Fluidleitmittel können grundsätzlich auf verschiedene Art und Weise dargestellt werden und dabei verschiedene Maß- nahmen umfassen. Beispielsweise kann als ein Fluidleitmittel eine im Bereich eines Fluidanschlusses eingezogene und sich zumindest teilweise in Richtung des jeweils anderen Fluidanschlusses erstreckende Kanalzwischenwand vorgesehen sein, welche mit einem Abstand vor der Trennwand endet oder einen Durchgang zur Umlen- kung der Strömungsrichtung des Brückenkanalstroms aufweist. Vorteilhaft kann das Fluidleitmittel auch eine Drossel umfassen, welche insbesondere in Verbindung mit der vorgenannten Kanalzwischenwand zwischen dem Fluidanschluss und dem Hauptkanal angeordnet und von dem Hauptkanalteilstrom durchströmt werden kann. Durch die Drossel wird der Leitungsquerschnitt verengt und somit ein lokaler Strömungswiderstand erzeugt. Die Wirkung des Fluidleitmittels, insbesondere der Drossel, besteht darin, eine Druckdifferenz zu erzeugen, durch welche eine Fluidströmung im Brückenkanal angeregt wird. In dem Brückenkanal ist lediglich ein vergleichsweise geringer Volumenstrom erforderlich, so dass der durch das Fluidleitmittel erzeugte Druckverlust nur vergleichsweise gering sein kann. Das Fluidleitmittel, insbesondere die Drossel, kann zum Beispiel durch eine lokale Verengung der Kanalwand oder durch eine entsprechende Formgestaltung der Kanalzwischenwand erfolgen. Es ist möglich, die zwischen den Fluidanschlüssen vorgesehene Trennwand als Fluidleitmittel zu formen und gegebenenfalls an dieser auch die Drossel auszubilden. Zur Ausbildung einer Drossel sind zahlreiche andere in der Fluidkanalanordnung eingebrachte Strukturen wie zum Beispiel Zylinder oder Würfel usw. möglich. Als Fluidleitmittel kann auch eine Blende vorgesehen sein.
Die Fluidleitmittel können auch zusätzlich oder anstelle eines festen Strömungswiderstands einen veränderlichen Strömungswiderstand, etwa als eine veränderliche bzw. anpassbare Drossel umfassen, um somit eine lokal gewünschte Temperaturverteilung noch besser einstellen zu können.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer in den Figuren dargestellten Ausführungsform beispielhaft erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Fluidkanalanordnung mit im Bereich eines Fluidanschlusses ausgebildeten Fluidleitmitteln. Figur 1 zeigt schematisch eine Fluidkanalanordnung 10 für eine hier nicht weiter zeichnerisch dargestellte Kühleinrichtung, die insbesondere für einen Kühlmantel einer elektrischen Maschine vorgesehen sein kann. Die Fluidkanalanordnung 10 weist zwei Fluidanschlüsse 12 auf, welche in Abhängigkeit von einer Strömungsrichtung eines Kühlfluids einen Fluideinlass 12a und einen Fluidauslass 12b bilden und die unter Ausbildung eines gegenseitigen Abstandsbereichs 14 räumlich zueinander benachbart angeordnet sind. Vorliegend bildet der Fluidanschluss 12 den Fluideinlass 12a und der Fluidanschluss 12 den Fluidauslass 12b aus, wobei sich außerhalb des gegenseitigen Abstandsbereichs 14 ein Hauptkanal 16 erstreckt, der den größten Teil eines Kühlmantels und damit den Hauptanteil einer Wärmeaustauschzone der Kühleinrichtung ausbildet.
Es ist erkennbar, dass auch im Abstandsbereich 14 zwischen den Fluidanschlüs- sen 12 ein Fluidkanal vorliegt und dort einen Brückenkanal 18 ausbildet. In diesem Brückenkanal 18 ist eine Trennwand 20 vorgesehen, welche eine Strömungsverbindung zwischen den Fluidanschlüssen 12 unterbindet. Im hier erläuterten Ausführungsbeispiel ist die Trennwand 20 im Brückenkanal 18 im Bereich des Fluidauslas- ses 12b, insbesondere unmittelbar am Fluidauslass 12b vorgesehen.
Weiter sind im Bereich des Fluideinlasses 12a Fluidleitmittel 22 in Form einer Kanalzwischenwand 22a vorgesehen, die sich vom Fluideinlass 12a aus in Richtung des Hauptkanals 16 und ebenso im Brückenkanal 18 in Richtung der Trennwand 20 erstreckt. Die Kanalzwischenwand 22a unterteilt den Brückenkanal 18 somit in parallel angeordnete, jedoch strömungsmäßig in Reihe geschaltete Brückenkanalabschnit- te 18a, b. Die Kanalzwischenwand 22a teilt damit einen durch den Fluideinlass 12a eintretenden Fluidstrom 24 in einen Brückenkanalstrom 24a und in einen Hauptkanalteilstrom 24b auf. Wie durch die Pfeile angedeutet, wird die Strömungsrichtung des Brückenkanalstroms 24a innerhalb des Brückenkanals 18 durch die Trennwand 20 umgelenkt, wodurch der Brückenkanalstrom 24a ebenso wie der Hauptkanalteilstrom 24b in Richtung des Hauptkanals 16 fließen kann. Der Brückenkanalstrom 24b wird vorliegend außerhalb des Abstandsbereichs 14 bzw. außerhalb der Erstreckung der Kanalzwischenwand 22 im Hauptkanal 16 mit dem Hauptkanal- teilstrom 24b wieder zu dem Fluidstrom 24 vereinigt, welcher als ein Hauptkanalflu- idstrom den Hauptkanal 16 bis zum Austritt aus dem Fluidauslass 12b durchströmt.
Zur Anregung einer Fluidstromung in dem Brückenkanal 18 ist als ein weiteres Fluid- leitmittel 22 in einem Hauptkanalteil 16a zwischen dem Fluideinlass 12a und dem Hauptkanal 16 eine hier ebenfalls lediglich schematisch dargestellte Drossel 22b vorgesehen, welche eine Fluid-Druckdifferenz erzeugt und somit eine Fluidstromung im Brückenkanal 18 anregt.
Durch die erläuterte Ausbildung der Fluidkanalanordnung 10 kann auch in dem gegenseitigen Abstandsbereich 14 von Fluideinlass 12a und Fluidauslass 12b eine hinreichende Kühlwirkung erzielt und dort somit die Ausbildung eines Hot Spot vermieden werden.
Bezuqszeichen
Fluidkanalanordnung
Fluidanschluss
a Fluideinlass
b Fluidauslass
Abstandsbereich
Hauptkanal
Brückenkanal
a, b Brückenkanalabschnitt
Trennwand
Fluidleitmittel
a Kanalzwischenwand
b Drossel
Fluidstrom
a Brückenkanalstrom
b Hauptkanalteilstrom

Claims

Patentansprüche
1. Fluidkanalanordnung 10 für eine Kühleinrichtung, insbesondere für einen Kühlmantel einer elektrischen Maschine, mit
- zwei Fluidanschlüssen 12, welche einen Fluideinlass 12a und einen Fluidaus- lass 12b bilden und die unter Ausbildung eines gegenseitigen Abstandsbereichs 14 räumlich zueinander benachbart angeordnet sind und mit
- einem sich zumindest im Wesentlichen innerhalb des Abstandsbereichs 14 zwischen den Fluidanschlüssen 12 erstreckenden Brückenkanal 18, wobei
- in dem Brückenkanal 18 eine Trennwand 20 vorgesehen ist, welche eine
Strömungsverbindung zwischen den Fluidanschlüssen 12 unterbindet und mit
- einem sich im Wesentlichen außerhalb des Abstandsbereichs 14 zwischen den Fluidanschlüssen 12 erstreckenden Hauptkanal 16,
dadurch gekennzeichnet,
- dass im Bereich eines Fluidanschlusses 12 Fluidleitmittel 22 vorgesehen sind, welche einen diesen Fluidanschluss 12 und den Hauptkanal 16 durchtretenden Fluidstrom 24 in einen Brückenkanalstrom 24a und in einen Hauptkanalteilstrom 24b aufteilen und
- dass eine Strömungsrichtung des Brückenkanalstroms 24a innerhalb des Brückenkanals 18 durch die Trennwand 20 umgelenkt wird und
- dass der Brückenkanalstrom 24a in Abhängigkeit von einer Strömungsrichtung im Bereich des Fluidanschlusses 12 oder im Hauptkanal 16 mit dem Hauptkanalteilstrom 24b wieder zu dem Fluidstrom 24 vereinigt wird.
2. Fluidkanalanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand 20 im Brückenkanal 18 im Bereich des Fluidauslasses 12b angeordnet ist.
3. Fluidkanalanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitmittel 22 eine Drossel 22a umfassen.
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