WO2018041424A1 - Arrangement for controlling the temperature of a fluid - Google Patents

Arrangement for controlling the temperature of a fluid Download PDF

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WO2018041424A1
WO2018041424A1 PCT/EP2017/061705 EP2017061705W WO2018041424A1 WO 2018041424 A1 WO2018041424 A1 WO 2018041424A1 EP 2017061705 W EP2017061705 W EP 2017061705W WO 2018041424 A1 WO2018041424 A1 WO 2018041424A1
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fluid
heat exchange
exchange surface
arrangement
return
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PCT/EP2017/061705
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Inventor
Philipp NEIDHARDT
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Zf Friedrichshafen Ag
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    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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    • F28F9/02Header boxes; End plates
    • F28F9/026Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits
    • F28F9/027Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits in the form of distribution pipes
    • F28F9/0275Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits in the form of distribution pipes with multiple branch pipes
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
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    • F28D11/02Heat-exchange apparatus employing moving conduits the movement being rotary, e.g. performed by a drum or roller
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/32Rotating parts of the magnetic circuit with channels or ducts for flow of cooling medium

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for fluid temperature control according to the preamble of patent claim 1.
  • the invention in an arrangement according to the preamble of the independent claim has the fundamental object to achieve a more effective temperature control of a heat exchange surface and thus one of these thermally associated object, in particular, a heat transfer coefficient of the arrangement should be increased.
  • the above object is achieved by means of a generic arrangement with the features specified in the independent claim.
  • a fluid temperature control arrangement which comprises first a heat exchange surface, a downcomer arrangement for supplying a flow of fluid to the heat exchange surface with a main passage and a return passage arrangement for discharging a fluid return flow from the heat exchange surface with a return passage.
  • the Hinkanalan the Hinkanalan extract several Zuleitabitese, which are in fluid communication with the Hinhauptkanal and through which the fluid flow is directed in a plurality of spatially separate fluid partial inflows at an angle to the heat exchange surface.
  • the return channel arrangement has objectively formed discharge sections in an interaction region with the heat exchange surface. These diverting sections are provided for guiding individual fluid partial outflows discharged from the heat exchange surface, which are thereby guided, in particular spatially, separately from the partial fluid inflows.
  • the invention is based on the finding that an effective heat transfer from the considered heat exchange surface to a fluid is significantly dependent on an unimpeded spread of the partial fluid inflows in the direction of the heat exchange surface.
  • the individual partial fluid inflows in their propagation in Direction of the heat exchange surface within a gap space very disturbed by a transverse to this and these individual flow paths crossing fluid flow.
  • these partial fluid inflows undergo a change in the flow direction and are thereby deflected axially in the direction of an intersecting fluid return flow and approximately parallel to the heat exchange surface.
  • the heat transfer coefficient is comparatively low.
  • the pressure loss undesirably increases due to the constant mixing of the axial return flow with the partial fluid inflows outside this boundary layer.
  • temperature is to be understood as meaning both heating and cooling, the proposed arrangement being equally suitable for both possibilities.
  • a heat exchange surface may be an immediate surface of an object to be tempered or a surface which is in contact with it at least in the heat exchange contact, for example a surface or mounting surface of a cooling or heating body acting as a heat exchange surface with which an object to be tempered may be in direct or for example can also be located on intermediate layers in indirect plant for heat exchange.
  • the heat exchange surface may be an inner or an outer surface and flat or curved in shape, in particular a cylindrical inner or outer surface.
  • the proposed arrangement is basically independent of the type and shape of the heat exchange surface.
  • the Zuleitabitese are not parallel, but at an angle to the considered Heat exchange surface out. Otherwise, the Zuleitabitese can form any arrangement and form, for example, a linear, that is cell-shaped arrangement or a two-dimensional arrangement in the form of an array or a matrix. In the case of a cylindrical arrangement, a distribution of the supply sections in the circumferential direction may additionally be present.
  • the flow direction in the return duct arrangement may correspond to the flow direction of the main duct arrangement, be opposite to it or extend in another direction.
  • fluids and gases are considered as a fluid, it being possible with advantage to use water, oil or other known agents as the medium.
  • a supply section may be assigned at least one discharge section, which adjoins the supply section in terms of flow. That is, a partial fluid flow directed toward the heat exchange surface may be conducted on its return path from the heat exchange surface in one or more diverting sections and, correspondingly, in one or more partial fluid outflows. An interaction with further partial fluid inflows does not occur. Likewise, the partial fluid outflows of a plurality of partial fluid inflows may be conducted separately at least over a certain distance.
  • the return duct arrangement can have at least one return duct, which is in fluid communication with the rear main duct or forms it and in which a plurality of discharge ducts can lead from different partial fluid outflows.
  • a return channel in which a reunification of a plurality of partial fluid inflows having flowed through different supply sections takes place with formation of a return channel flow.
  • a plurality of return channels may be provided, which together open into a fluid return flow in a return main channel.
  • a fluid guide element is proposed with an associated heat exchange surface, wherein the Zuleitabroughe the Hinkanalan extract are formed in the fluid guide.
  • the discharge sections and the at least one return channel are advantageously limited by the fluid guide element and / or by the heat exchange surface.
  • corresponding structures can be provided either on the considered heat exchange surface and / or on the fluid guide element, so that a further heat exchange with the fluid can take place when flowing through the discharge sections and the at least one return channel.
  • the fluid guide element can favorably consist of a metallic material, for example a copper material, with a high thermal conductivity and can be in abutting contact with the considered heat exchange surface at least regionally, ie with individual surface regions on which no fluid channels are provided. This can be done by means of heat conduction, a direct transition of a loss of heat in the fluid guide and from there into a fluid.
  • a metallic material for example a copper material
  • the previously explained arrangement for fluid cooling of a rotor of an electric machine can be designed with particular advantage, wherein the rotor has a hollow rotor shaft with an internal heat exchange surface to be cooled.
  • the fluid guide can be designed as a hollow cylindrical insert part, in particular as an inner shaft, wherein the Hinnchkanal is formed within and preferably centrally within the insert part and extending axially therein. As the axial extent increases, an effective flow cross-section in the direction of flow of the fluid can be designed to decrease in order to maintain the pressure conditions of the fluid inflow.
  • the supply sections can preferably be used as radial from radially inward to radially outward. be executed al commentary. Still further, at least one return channel and discharge sections can also run on the outer surface of the insert part.
  • FIG. 1 shows a schematic arrangement for fluid temperature control with a Fluidlei- telement and an associated heat exchange surface.
  • Fig. 2 is a schematic representation of fluid flows occurring on the arrangement of Fig. 1;
  • Fig. 3 is a detailed view of the Fluidleitelements of Fig. 1;
  • FIG. 4 is an axial sectional view of a rotor of an electric machine with an arrangement for internal shaft cooling
  • FIG. 6a shows a radial section of the fluid guide element of FIG. 4 with supply and discharge sections arranged thereon for a fluid
  • 6b shows a further radial section of the fluid guide element in one of
  • Fig. 5a deviating cutting position
  • FIG. 7 is a perspective view of the Fluidleitelements of Fig. 4th
  • FIG. 1 shows an arrangement 10a for fluid temperature control, which is designed overall as a tempering body 12, that is to say as a cooling and / or heating body, and which comprises a fluid-conducting element 50 with an attached cover element 14.
  • a flat surface 14a of the cover element 14 directed toward the fluid-conducting element 50 forms a heat exchange surface 16.
  • the fluid guide element 50 and in particular the cover element 14 are here made of a copper material and are at least partially in direct mutual contact.
  • the cover element 14 can be in contact with a free surface 14b with an object to be tempered and thus in heat exchange contact or even form the object to be tempered.
  • a heat flow 18 occurs in the direction of the fluid-conducting element 50 through the cover element 14 and thus through the heat exchange surface 16.
  • the fluid guiding element 50 is designed to convey a fluid, in particular a cooling fluid, introduced into the arrangement 10a to the surface 14a or the heat exchange surface 16 and to absorb a quantity of heat therefrom, thus removing the heat exchange surface 16 and a optionally with it to cool thermally connected object or to temper.
  • the assembly 10b initially includes a downcomer assembly 20 having a main passage 22 in which a fluid feed 122 is directed to the heat exchange surface 16.
  • the heat exchange surface 16 to be cooled is shown in FIG. 2 only schematically simplified as a dashed line.
  • the assembly 10b comprises a return channel arrangement 40 with a return main channel 42 for discharging a fluid return flow 142 from the heat exchange surface 16.
  • the down channel arrangement 20 has a plurality of feed sections 24, which branch off from the main channel 22 and are in fluid communication therewith and through which the fluid feed 122 is directed at a plurality of spatially separate partial fluid inflows 124 at an angle to the heat exchange surface 16 .
  • the Zuleitabitese 24 form in the scheme shown a linear, that is a cell-shaped arrangement.
  • the supply sections 24 are designed as stagnation point flow channels, wherein the partial fluid inflows 124 routed therein are directed essentially perpendicular to the heat exchange surface 16 and, ideally, also impinge perpendicular thereto.
  • the individual partial fluid inflows 124 thus form a plurality of accumulation flows, as a result of which a particularly high value for the heat transfer coefficient can be set for the removal of heat and the heat exchange surface 16 and a thermally connected object can thus be effectively cooled.
  • the return duct arrangement 40 has, in an interaction region with the heat exchange surface 16 considered here, a plurality of diverting sections 44 which are designed and arranged such that partial fluid outflows 144 discharged from the heat exchange surface 16 are conducted spatially separate from the partial fluid inflows 124 become.
  • the partial fluid outflows 144 are conducted at an angle ⁇ , ⁇ to the partial fluid inflows 124, so that these fluid flows do not intersect in their propagation and can not interfere with one another.
  • a supply section 24 is assigned exactly one discharge section 44, which adjoins the supply section 24 in terms of flow.
  • the existing there Ableitabitese 44 are arranged in two groups I, II.
  • the discharge sections 44a form a first group and open into a first return channel 46a of the return channel arrangement 40, while the discharge sections 44b form a second group and open into a second return channel 46b.
  • Both return channels 46 are in fluid communication with the return main channel 42.
  • this has the approximately cuboidal fluid-conducting element 50 shown in detail in FIG. 3, which rests in sections on the heat exchange surface 16 with a contact surface 51 and is in direct heat transfer there.
  • the main passage 22 is formed by a space region on the outside of the heat exchange surface 16 facing away from the surface or provided there.
  • the supply sections 24 of the down channel arrangement 20 are arranged here as a two-dimensional matrix in the form of an array and extend from the main channel 22 in a thickness direction through the fluid guide element 50 to emerge approximately perpendicularly from the contact surface 51 or the exit surface in the direction of the heat exchange surface 16 to be tempered ,
  • first grooves 52 are introduced in the contact surface 51, which intersect with their groove bottom in each case the outlet openings of the Zuleitabroughe 24.
  • a plurality of parallel second grooves 54 are introduced, which intersect the first grooves 52 and which are also adjacent to and arranged parallel to a row of the array of Zuleitabitese 24.
  • the first grooves 52 are thus each separated into a plurality of sections 521, wherein a Zuleitabites 24 is assigned in each case a groove portion 521, which in terms of flow two opposite Ableitabroughe 44a, b for guiding two fluid partial outlets 144a, b forms.
  • the Zuleitabroughe 24 open respectively in the second grooves 54, wherein the number of second grooves 54 is noticeably smaller than the number of Zuleitabroughe 24th
  • the second grooves 54 are made larger in cross section than the first grooves 52 and thus form individual return channels 46, the return channel flows 146 open in a in Fig. 1 only schematically illustrated return main channel 42.
  • the corresponding channel cross-sections in the forward and rearward channel arrangement 20, 40 are dimensioned such that a supplied fluid flow 122 is to be cooled from the one to be cooled.
  • the heat exchange surface 16 can be discharged again as a fluid backflow 142 without the formation of a congestion.
  • the dimensioning of the entire channel arrangement is subject to the mass flow maintenance of the fluid.
  • the discharge sections 44 and the return channels 46 are bounded on one side both by the fluid guide element 50 and by the heat exchange surface 16 to be tempered.
  • the cover member 14 may be applied to the remaining between the grooves 52, 54 ridges 53, for example by soldering, welding, bonding or the like.
  • Such a sandwich construction with a comparatively thin-walled cover element 14 in contact with an object to be tempered results in only a small heat transfer resistance between the object and the fluid, so that, despite this intermediate layer, a very effective heat exchange is possible.
  • a temperature control body 12 with a fluid guide element 50 and a cover element 14 can alternatively also be produced monolithically.
  • a basically constructed and operating according to the above-described embodiment arrangement 10c is presented for fluid cooling of a rotor of an electric machine.
  • Fig. 4 shows this designed as an asynchronous electrical machine 60 with a cylindrical stator 64 which carries a stator winding 66 and with a rotatably mounted in a central cavity about an axis A rotor 62, which carries a cage winding.
  • the rotor 62 has a hollow rotor shaft 67 with an inner surface 67a to be cooled by means of fluid, which forms the heat exchange surface 16 in this case.
  • the fluid guide element 50 is in this case according to FIGS. 5-7 designed as a hollow cylindrical insert 68, in particular as an inner shaft of a copper material and inserted into the hollow shaft 67, that this comparable to the previously discussed embodiment at least in sections on the hollow shaft 67th is applied, thereby also allowing a direct heat transfer.
  • the insert member 68 has a multi-diameter stepped central recess 70 in the form of a blind hole which forms the main passage 22 for guiding a low-temperature fluid flowing into the assembly. From this Hinnchkanal 22 go from a plurality of radially outwardly extending Zuleitabitese 24, which open at a cylindrical Au chipposf laugh the insert 68.
  • the Zuleitabitese 24 are designed as radial bores and are thus directed perpendicular to the inner peripheral surface 67a of the rotor shaft 67 to be cooled, whereby the guided in these Zuleitabitesen 24 individual fluid partial flows 124 meet as Stauddlingströme on the inner heat exchange surface 16 of the rotor shaft 67.
  • Fig. 3 shows a radial section axially outside of Zuleitabitese 24, wherein the insert member 68 abuts with portions or webs 53 directly to the hollow shaft 67 and is in heat transfer contact with this.
  • Fig. 7 shows a radial section axially outside of Zuleitabitese 24, wherein the insert member 68 abuts with portions or webs 53 directly to the hollow shaft 67 and is in heat transfer contact with this.
  • the return channel flows 146 guided in the return channels 46 in turn combine in the return main channel 42 to a fluid return flow 142 having a higher temperature compared to the fluid flow 122, which initially proceeds from the axial end region of the insert 68 in the rotor shaft 67 and then into further fluid lines (not shown here) goes to a heat exchanger.
  • the explained fluid guide element 50 in the form of the insert part 68 can be manufactured as a cylindrical solid part.
  • a flat semi-finished product which after generating the explained Channel structure is bent around and thus brought into a cylindrical shape.

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Abstract

An arrangement for controlling the temperature of a fluid is described, which comprises a heat exchange surface (16), an inlet conduit arrangement (20) for supplying a fluid inflow (122) to the heat exchange surface (16) in a main inlet conduit (22), and a return conduit arrangement (40) having a main return conduit (42) for carrying a fluid return flow (142) away from the heat exchange surface (16). The inlet conduit arrangement (20) has a plurality of supply sections (24), which are fluidically connected to the main inlet conduit (22) and through which the fluid flow is directed at an angle onto the heat exchange surface (16) in a plurality of spatially separate partial fluid inflows (124). The arrangement is characterized in that, in a region interacting with the heat exchange surface (16), the return conduit arrangement (40) comprises draining sections (44), which are configured and arranged in such a way that partial fluid outflows (144) carried away from the heat exchange surface (16) are carried therein spatially separately from the partial fluid inflows (124).

Description

Anordnung zur Fluidtemperierung  Arrangement for fluid temperature control
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Fluidtemperierung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 . The invention relates to an arrangement for fluid temperature control according to the preamble of patent claim 1.
Eine derartige gattungsgemäße Anordnung ist bereits mit der EP 2 541 737 A2 bekannt geworden und dort insbesondere zur Fluidkühlung eines Rotors einer elektrischen Maschine ausgebildet. Dabei weist der Rotor eine hohle Rotorwelle mit einer zu kühlenden inneren Oberfläche auf, welche eine Wärmeaustauschfläche bildet und in welche ein als ein hohlzylindrisches Einsatzteil ausgebildetes Fluidleitelement eingesetzt ist. Innerhalb des Einsatzteils verläuft ein Hinhauptkanal des Kühlfluids, wobei von diesem unter einem Winkel zur Mittelachse des Rotors eine Mehrzahl von Zuleitabschnitten bildenden Abzweigkanälen ausgehen, welche das Kühlfluid durch einen radialen Spaltraum auf die zu kühlende Oberfläche leiten und wobei das im Wärmeaustausch stehende Kühlfluid durch diesen Raum hindurch axial aus der Anordnung heraus abtransportiert wird. Such a generic arrangement has already become known from EP 2 541 737 A2, where it is designed in particular for fluid cooling of a rotor of an electric machine. In this case, the rotor has a hollow rotor shaft with an inner surface to be cooled, which forms a heat exchange surface and in which a designed as a hollow cylindrical insert part fluid guide is used. Within the insert part runs a Hinhauptkanal of the cooling fluid, which emanate from this at an angle to the central axis of the rotor, a plurality of Zuleitabschnitten forming branch channels, which direct the cooling fluid through a radial gap space on the surface to be cooled and wherein the standing in the heat exchange cooling fluid through this space axially removed from the assembly out.
Obwohl die mit der EP 2 541 737 A2 bekannt gewordene Anordnung bereits eine Verbesserung der Wärmeableitung im Vergleich zu einer Welleninnenkühlung mittels eines bloßen ein- oder zweifachem axialen Durchströmen eines Kühlfluids durch die Rotorwelle erbringen konnte, bleibt der damit erzielbare Wärmeübergangskoeffizient, welcher als ein Proportionalitätsfaktor die Intensität des Wärmeübergangs an der Innenoberfläche der Rotorwelle bestimmt, hinter den Erwartungen zurück. Bei Auftreten von vergleichsweise hohen Verlustleistungen eines Rotors ist eine Wärmeabführung ungenügend und verbesserungsbedürftig. Although the arrangement disclosed in EP 2 541 737 A2 has already been able to provide an improvement in heat dissipation compared to wave internal cooling by means of a single or double axial flow through a cooling fluid through the rotor shaft, the heat transfer coefficient achievable thereby remains as a proportionality factor Intensity of the heat transfer on the inner surface of the rotor shaft determined to fall short of expectations. When relatively high power losses of a rotor occur, heat dissipation is insufficient and needs improvement.
Von diesem Stand der Technik ausgehend stellt sich die Erfindung bei einer Anordnung gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs die grundsätzliche Aufgabe, eine effektivere Temperierung einer Wärmeaustauschfläche und damit eines dieser thermisch zugeordneten Objekts zu erzielen, wobei insbesondere ein Wärmeübergangskoeffizient der Anordnung gesteigert werden soll. Die vorstehend genannte Aufgabe wird mittels einer gattungsgemäßen Anordnung mit den im unabhängigen Patentanspruch angegebenen Merkmalen gelöst. Based on this state of the art, the invention in an arrangement according to the preamble of the independent claim has the fundamental object to achieve a more effective temperature control of a heat exchange surface and thus one of these thermally associated object, in particular, a heat transfer coefficient of the arrangement should be increased. The above object is achieved by means of a generic arrangement with the features specified in the independent claim.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Figurenbeschreibung entnehmbar. Advantageous embodiments and further developments of the invention are the dependent claims and the following description of the figures removed.
In der Beschreibung werden mit Bezug auf eine zu einer Wärmeaustauschfläche hingerichteten Fluidströmung bzw. einen solchen Fluidkanal als Wortbestandteil, sofern dieses nicht anders erläutert oder anders aus dem Zusammenhang entnehmbar ist, die Silben„hin" und„zu" und mit Bezug auf eine von der Wärmeaustauschfläche weg gerichteten Fluidströmung die Silben„rück" und„ab" verwendet. In the description, with respect to a fluid flow or fluid channel as word constituent executed to a heat exchange surface, unless otherwise explained or otherwise inferred from the context, the syllables "back" and "to" and with respect to one of the Heat exchange surface away fluid flow using the syllables "back" and "down".
Es wird somit eine Anordnung zur Fluidtemperierung vorgeschlagen, welche zunächst eine Wärmeaustauschfläche, eine Hinkanalanordnung zur Zuführung eines Fluidzustroms zu der Wärmeaustauschfläche mit einem Hinhauptkanal und eine Rückkanalanordnung zur Abführung eines Fluidrückstroms von der Wärmeaustauschfläche mit einem Rückhauptkanal umfasst. Dabei weist die Hinkanalanordnung mehrere Zuleitabschnitte auf, welche mit dem Hinhauptkanal in Fluidverbindung stehen und durch welche der Fluidzustrom in mehreren räumlich separaten Fluid- Teilzuströmen unter einem Winkel auf die Wärmeaustauschfläche gerichtet wird. Thus, there is proposed a fluid temperature control arrangement which comprises first a heat exchange surface, a downcomer arrangement for supplying a flow of fluid to the heat exchange surface with a main passage and a return passage arrangement for discharging a fluid return flow from the heat exchange surface with a return passage. In this case, the Hinkanalanordnung several Zuleitabschnitte, which are in fluid communication with the Hinhauptkanal and through which the fluid flow is directed in a plurality of spatially separate fluid partial inflows at an angle to the heat exchange surface.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist dabei vorgesehen, dass die Rückkanalanordnung in einem Wechselwirkungsbereich mit der Wärmeaustauschfläche gegenständlich ausgebildete Ableitabschnitte aufweist. Diese Ableitabschnitte sind zur Führung von einzelnen, von der Wärmeaustauschfläche abgeführten Fluid-Teilabströmen vorgesehen, welche dabei insbesondere räumlich separat von den Fluid-Teilzuströmen geführt werden. In accordance with the present invention, it is provided that the return channel arrangement has objectively formed discharge sections in an interaction region with the heat exchange surface. These diverting sections are provided for guiding individual fluid partial outflows discharged from the heat exchange surface, which are thereby guided, in particular spatially, separately from the partial fluid inflows.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine effektive Wärmeübertragung von der betrachteten Wärmeaustauschfläche auf ein Fluid maßgeblich von einer ungehinderten Ausbreitung der Fluid-Teilzuströme in Richtung der Wärmeaustauschfläche abhängt. Bei der eingangs erwähnten und aus dem Stand der Technik bekannten Anordnung werden die einzelnen Fluid-Teilzuströme bei deren Ausbreitung in Richtung der Wärmeaustauschfläche innerhalb eines Spaltraumes sehr stark von einem quer zu diesen verlaufenden und diese einzelnen Strömungspfade kreuzenden Fluidstrom gestört. Dabei erfahren diese Fluid-Teilzuströme eine Änderung der Strömungsrichtung und werden hierbei in Richtung eines kreuzenden Fluidrück- stroms axial und etwa parallel zur Wärmeaustauschfläche abgelenkt. Durch eine solche, zu einem beträchtlichen Teil parallele Strömungsführung an der Wärmeaustauschfläche und der damit verbundenen Ausbildung einer stabilen Grenzschicht ist der Wärmeübergangskoeffizient vergleichsweise gering. Zudem steigt unerwünscht der Druckverlust durch die ständige Durchmischung der axialen RückStrömung mit den Fluid-Teilzuströmen außerhalb dieser Grenzschicht. The invention is based on the finding that an effective heat transfer from the considered heat exchange surface to a fluid is significantly dependent on an unimpeded spread of the partial fluid inflows in the direction of the heat exchange surface. In the arrangement mentioned above and known from the prior art, the individual partial fluid inflows in their propagation in Direction of the heat exchange surface within a gap space very disturbed by a transverse to this and these individual flow paths crossing fluid flow. In the process, these partial fluid inflows undergo a change in the flow direction and are thereby deflected axially in the direction of an intersecting fluid return flow and approximately parallel to the heat exchange surface. By such, to a considerable extent parallel flow guidance on the heat exchange surface and the associated formation of a stable boundary layer, the heat transfer coefficient is comparatively low. In addition, the pressure loss undesirably increases due to the constant mixing of the axial return flow with the partial fluid inflows outside this boundary layer.
Um den Wandwärmeübergangskoeffizienten lokal deutlich zu erhöhen wird vorgeschlagen, die Fluid-Teilzuströme und die diese beeinflussende Querströmung räumlich in einem als Spaltraum ausgebildeten Wechselwirkungsbereich mit der Wärmeaustauschfläche zu separieren, so dass eine Kreuzung der beteiligten Fluidströ- mungen vermieden wird. In order to locally increase the wall heat transfer coefficient significantly, it is proposed to spatially separate the fluid partial flows and the transverse flow influencing them in a region of interaction with the heat exchange surface designed as a gap space, so that an intersection of the fluid flows involved is avoided.
Unter dem Begriff Temperierung soll dabei sowohl eine Erwärmung als auch eine Kühlung verstanden werden, wobei die vorgeschlagene Anordnung für beide Möglichkeiten gleichermaßen geeignet ist. The term temperature is to be understood as meaning both heating and cooling, the proposed arrangement being equally suitable for both possibilities.
Eine Wärmeaustauschfläche kann eine unmittelbare Oberfläche eines zu temperierenden Objekts sein oder eine mit dieser zumindest im Wärmeaustauschkontakt stehende Fläche sein, zum Beispiel eine als Wärmeaustauschfläche fungierende Oberfläche bzw. Montagefläche eines Kühl- oder Heizkörpers, mit welcher sich ein zu temperierendes Objekt in unmittelbarer oder zum Beispiel auch über Zwischenlagen in mittelbarer Anlage zum Wärmeaustausch befinden kann. A heat exchange surface may be an immediate surface of an object to be tempered or a surface which is in contact with it at least in the heat exchange contact, for example a surface or mounting surface of a cooling or heating body acting as a heat exchange surface with which an object to be tempered may be in direct or for example can also be located on intermediate layers in indirect plant for heat exchange.
Die Wärmeaustauschfläche kann eine innere oder eine äußere Oberfläche sein und von deren Gestalt eben oder gekrümmt, insbesondere eine zylindrische Innen- oder Au ßenumfangsf lache sein. Auch diesbezüglich ist die vorgeschlagene Anordnung grundsätzlich unabhängig von der Art und Form der Wärmeaustauschfläche. Weiter sind die Zuleitabschnitte nicht parallel, sondern unter einem Winkel zur betrachteten Wärmeaustauschfläche geführt. Ansonsten können die Zuleitabschnitte eine beliebige Anordnung bilden und beispielsweise eine lineare, das heißt zellenförmige Anordnung oder eine zweidimensionale Anordnung in Form eines Arrays bzw. einer Matrix bilden. Bei einer zylindrischen Anordnung kann zusätzlich eine Verteilung der Zuleitabschnitte in Umfangsrichtung vorliegen. The heat exchange surface may be an inner or an outer surface and flat or curved in shape, in particular a cylindrical inner or outer surface. Also in this regard, the proposed arrangement is basically independent of the type and shape of the heat exchange surface. Further, the Zuleitabschnitte are not parallel, but at an angle to the considered Heat exchange surface out. Otherwise, the Zuleitabschnitte can form any arrangement and form, for example, a linear, that is cell-shaped arrangement or a two-dimensional arrangement in the form of an array or a matrix. In the case of a cylindrical arrangement, a distribution of the supply sections in the circumferential direction may additionally be present.
Hinsichtlich der Strömungsführung des Fluids liegt in Bezug auf die Wechselwirkung mit der Wärmeaustauschfläche nunmehr eine Symmetrie vor, da eine Aufteilung des Fluids in Teilströme sowohl vor als auch nach der Wechselwirkung mit der Wärmeaustauschfläche gegeben ist. Die Strömungsrichtung in der Rückkanalanordnung kann der Strömungsrichtung der Hauptkanalanordnung entsprechen, entgegengesetzt zu dieser sein oder in eine noch andere Richtung verlaufen. Als ein Fluid kommen grundsätzlich Flüssigkeiten als auch Gase in Betracht, wobei als Medium mit Vorteil Wasser, Öl oder andere bekannte Mittel eingesetzt werden können. With regard to the flow guidance of the fluid is now in relation to the interaction with the heat exchange surface before a symmetry, since a division of the fluid is divided into partial flows both before and after the interaction with the heat exchange surface. The flow direction in the return duct arrangement may correspond to the flow direction of the main duct arrangement, be opposite to it or extend in another direction. In principle, fluids and gases are considered as a fluid, it being possible with advantage to use water, oil or other known agents as the medium.
Mit Vorteil kann einem Zuleitabschnitt wenigstens ein Ableitabschnitt zugeordnet sein, welcher sich strömungsmässig an den Zuleitabschnitt anschließt. Das bedeutet, dass ein auf die Wärmeaustauschfläche gerichteter Fluid-Teilzustrom auf dessen Rückweg von der Wärmeaustauschfläche in einem oder mehreren Ableitabschnitten und entsprechend in einem oder mehreren Fluid-Teilabströmen geführt werden kann. Eine Wechselwirkung mit weiteren Fluid-Teilzuströmen tritt dabei nicht auf. Ebenso können die Fluid-Teilabströme von mehreren Fluid-Teilzuströmen räumlich zumindest über eine gewisse Distanz separat geführt werden. Advantageously, a supply section may be assigned at least one discharge section, which adjoins the supply section in terms of flow. That is, a partial fluid flow directed toward the heat exchange surface may be conducted on its return path from the heat exchange surface in one or more diverting sections and, correspondingly, in one or more partial fluid outflows. An interaction with further partial fluid inflows does not occur. Likewise, the partial fluid outflows of a plurality of partial fluid inflows may be conducted separately at least over a certain distance.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Rückkanalanordnung zumindest einen Rückkanal aufweisen, welcher mit dem Rückhauptkanal in Fluidverbindung steht oder diesen ausbildet und in welchen mehrere Ableitkanäle von verschiedenen Fluid-Teilabströmen münden können. In einem Rückkanal findet somit eine Wiedervereinigung von mehreren durch verschiedene Zuleitabschnitte geflossenen Fluid- Teilzuströmen unter Ausbildung eines Rückkanalstroms statt. Schließlich können mehrere Rückkanäle vorgesehen werden, welche gemeinsam zu einem Fluidrück- strom in einem Rückhauptkanal münden. Zur Maximierung des Wärmeübergangskoeffizienten kann mit besonderem Vorteil ein Fluid-Teilzustromkanal als ein Staupunktstromkanal ausgebildet sein, wobei dessen Fluid-Teilzustrom im Wesentlichen senkrecht auf die betrachtete Wärmeaustauschfläche gerichtet ist. According to an advantageous embodiment, the return duct arrangement can have at least one return duct, which is in fluid communication with the rear main duct or forms it and in which a plurality of discharge ducts can lead from different partial fluid outflows. Thus, in a return channel, a reunification of a plurality of partial fluid inflows having flowed through different supply sections takes place with formation of a return channel flow. Finally, a plurality of return channels may be provided, which together open into a fluid return flow in a return main channel. In order to maximize the heat transfer coefficient, it is particularly advantageous to design a fluid sub-inflow channel as a stagnation flow channel, the fluid sub-inflow of which is directed substantially perpendicular to the heat exchange surface in question.
Zur konstruktiven Ausbildung der Kanalanordnung wird ein Fluidleitelement mit einer zugeordneten Wärmeaustauschfläche vorgeschlagen, wobei die Zuleitabschnitte der Hinkanalanordnung in dem Fluidleitelement ausgebildet sind. Weiter werden mit Vorteil die Ableitabschnitte und der zumindest eine Rückkanal von dem Fluidleitelement und/oder von der Wärmeaustauschfläche begrenzt. Zu diesem Zweck können entsprechende Strukturen entweder an der betrachteten Wärmeaustauschfläche und/oder an dem Fluidleitelement vorgesehen sein, so dass beim Durchströmen der Ableitabschnitte und des zumindest einen Rückkanals ein weiterer Wärmeaustausch mit dem Fluid erfolgen kann. For constructive design of the channel arrangement, a fluid guide element is proposed with an associated heat exchange surface, wherein the Zuleitabschnitte the Hinkanalanordnung are formed in the fluid guide. Furthermore, the discharge sections and the at least one return channel are advantageously limited by the fluid guide element and / or by the heat exchange surface. For this purpose, corresponding structures can be provided either on the considered heat exchange surface and / or on the fluid guide element, so that a further heat exchange with the fluid can take place when flowing through the discharge sections and the at least one return channel.
Das Fluidleitelement kann günstiger Weise aus einem metallischen Werkstoff, zum Beispiel einem Kupferwerkstoff, mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit bestehen und kann sich zumindest bereichsweise, also mit einzelnen Oberflächenbereichen, an denen keine Fluidkanäle vorgesehen sind, mit der betrachteten Wärmeaustauschfläche in Anlagekontakt befinden. Damit kann mittels Wärmeleitung ein direkter Übergang einer Verlustwärme in das Fluidleitelement und von dort in ein Fluid erfolgen. The fluid guide element can favorably consist of a metallic material, for example a copper material, with a high thermal conductivity and can be in abutting contact with the considered heat exchange surface at least regionally, ie with individual surface regions on which no fluid channels are provided. This can be done by means of heat conduction, a direct transition of a loss of heat in the fluid guide and from there into a fluid.
Gemäß einer Ausführungsform kann mit besonderem Vorteil die bisher erläuterte Anordnung zur Fluidkühlung eines Rotors einer elektrischen Maschine ausgebildet sein, wobei der Rotor eine hohle Rotorwelle mit einer zu kühlenden inneren Wärmeaustauschfläche aufweist. Dabei kann das Fluidleitelement als ein hohlzylindrisches Einsatzteil, insbesondere als eine Innenwelle ausgeführt sein, wobei der Hinhauptkanal innerhalb und vorzugsweise zentral innerhalb des Einsatzteils ausgebildet ist und sich darin axial erstreckt. Mit zunehmender axialer Erstreckung kann zur Wahrung der Druckverhältnisse des Fluidzustroms ein wirksamer Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung des Fluids abnehmend ausgeführt sein. Weiter können die Zuleitabschnitte von radial innen nach radial außen vorzugsweise also als Radi- aldurchgänge ausgeführt sein. Noch weiterhin können zumindest auch ein Rückkanal und Ableitabschnitte an der Außenfläche des Einsatzteils verlaufen. According to one embodiment, the previously explained arrangement for fluid cooling of a rotor of an electric machine can be designed with particular advantage, wherein the rotor has a hollow rotor shaft with an internal heat exchange surface to be cooled. In this case, the fluid guide can be designed as a hollow cylindrical insert part, in particular as an inner shaft, wherein the Hinhauptkanal is formed within and preferably centrally within the insert part and extending axially therein. As the axial extent increases, an effective flow cross-section in the direction of flow of the fluid can be designed to decrease in order to maintain the pressure conditions of the fluid inflow. Furthermore, the supply sections can preferably be used as radial from radially inward to radially outward. be executed aldurchgänge. Still further, at least one return channel and discharge sections can also run on the outer surface of the insert part.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert. The invention will be explained by way of example with reference to embodiments shown in the figures.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 eine schematische Anordnung zur Fluid-Temperierung mit einem Fluidlei- telement und einer zugeordneten Wärmeaustauschfläche;  1 shows a schematic arrangement for fluid temperature control with a Fluidlei- telement and an associated heat exchange surface.
Fig. 2 eine schematische Darstellung von an der Anordnung von Fig. 1 auftretenden Fluid-Strömen;  Fig. 2 is a schematic representation of fluid flows occurring on the arrangement of Fig. 1;
Fig. 3 eine detaillierte Darstellung des Fluidleitelements von Fig. 1 ;  Fig. 3 is a detailed view of the Fluidleitelements of Fig. 1;
Fig. 4 eine axiale Schnittdarstellung eines Rotors einer elektrischen Maschine mit einer Anordnung zur Welleninnenkühlung;  4 is an axial sectional view of a rotor of an electric machine with an arrangement for internal shaft cooling;
Fig. 5 die Anordnung zur Welleninnenkühlung mit einem in der Rotorwelle angeordneten Fluidleitelement;  5 shows the arrangement for internal shaft cooling with a fluid guide element arranged in the rotor shaft;
Fig. 6a ein Radialschnittdarstellung des Fluidleitelements von Fig. 4 mit daran angeordneten Zuleit- und Ableitabschnitten für ein Fluid;  6a shows a radial section of the fluid guide element of FIG. 4 with supply and discharge sections arranged thereon for a fluid;
Fig. 6b eine weitere Radialschnittdarstellung des Fluidleitelements in einer von  6b shows a further radial section of the fluid guide element in one of
Fig. 5a abweichenden Schnittlage;  Fig. 5a deviating cutting position;
Fig. 7 eine perspektivische Darstellung des Fluidleitelements von Fig. 4.  7 is a perspective view of the Fluidleitelements of Fig. 4th
Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten oder vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Ferner werden zusammenfassende Bezugszeichen für Komponenten und Objekte verwendet, die mehrfach in einem Ausführungsbeispiel oder in einer Darstellung auftreten, jedoch hinsichtlich eines oder mehrerer Merkmale gemeinsam beschrieben werden. Um Wiederholungen zu vermeiden wird auf eine mehrfache Beschreibung identischer Gegenstände, Funktionseinheiten oder vergleichbarer Komponenten in verschiedenen Ausführungsbeispielen verzichtet und es werden diesbezüglich lediglich Unterschiede der Ausführungsbeispiele beschrieben. Fig. 1 zeigt eine Anordnung 10a zur Fluidtemperierung, welche insgesamt als ein Temperierkörper 12, also als ein Kühl- und/oder Heizkörper ausgebildet ist und welcher ein Fluidleitelement 50 mit einem aufgesetzten Deckelement 14 umfasst. Dabei bildet eine zu dem Fluidleitelement 50 gerichtete ebene Oberfläche 14a des Deckelements 14 eine Wärmeaustauschfläche 16 aus. Das Fluidleitelement 50 und insbesondere das Deckelement 14 sind hier aus einem Kupferwerkstoff gefertigt und befinden sich zumindest abschnittweise in direkter gegenseitiger Anlage. Das Deckelement 14 kann sich mit einer freien Oberfläche 14b mit einem zu temperierenden Objekt in Anlage und somit im Wärmeaustauschkontakt befinden oder selbst das zu temperierende Objekt bilden. Identical objects, functional units or comparable components are denoted by the same reference numerals across the figures. Further, summary reference numbers are used for components and objects that occur multiple times in one embodiment or in one representation, but are described together in terms of one or more features. In order to avoid repetition, a multiple description of identical objects, functional units or comparable components in various exemplary embodiments is dispensed with and only differences of the exemplary embodiments are described in this regard. 1 shows an arrangement 10a for fluid temperature control, which is designed overall as a tempering body 12, that is to say as a cooling and / or heating body, and which comprises a fluid-conducting element 50 with an attached cover element 14. In this case, a flat surface 14a of the cover element 14 directed toward the fluid-conducting element 50 forms a heat exchange surface 16. The fluid guide element 50 and in particular the cover element 14 are here made of a copper material and are at least partially in direct mutual contact. The cover element 14 can be in contact with a free surface 14b with an object to be tempered and thus in heat exchange contact or even form the object to be tempered.
Bei der Anordnung 10a tritt durch das Deckelement 14 und damit durch die Wärmeaustauschfläche 16 ein Wärmestrom 18 in Richtung des Fluidleitelements 50 auf. Das Fluidleitelement 50 ist dazu ausgebildet, ein an die Anordnung 10a herangeführtes Fluid, insbesondere ein Kühlfluid in einer nachfolgend erläuterten Art und Weise an die Oberfläche 14a bzw. die Wärmeaustauschfläche 16 heranzuführen und von dieser eine Wärmemenge aufzunehmen, abzutransportieren um somit die Wärmeaustauschfläche 16 und ein gegebenenfalls damit thermisch verbundenes Objekt zu kühlen bzw. zu temperieren. In the arrangement 10 a, a heat flow 18 occurs in the direction of the fluid-conducting element 50 through the cover element 14 and thus through the heat exchange surface 16. The fluid guiding element 50 is designed to convey a fluid, in particular a cooling fluid, introduced into the arrangement 10a to the surface 14a or the heat exchange surface 16 and to absorb a quantity of heat therefrom, thus removing the heat exchange surface 16 and a optionally with it to cool thermally connected object or to temper.
Die Führung des Fluids innerhalb der Anordnung 10a von Fig. 1 wird nachfolgend in Verbindung und anhand von daran beteiligten Fluidströmen mittels der in Fig. 2 gezeigten schematischen Anordnung 10b näher erläutert. Weitere Elemente der Anordnung, wie beispielsweise Verbindungsrohre, zumindest eine Fluidpumpvorrich- tung und ein Wärmetauscher und deren grundlegende Zusammenschaltung zur Erzielung einer funktionsfähigen Anordnung zur Fluidtemperierung sind dem Fachmann hinlänglich bekannt und werden daher hier aus Übersichtsgründen nicht weitergehend erläutert. The guidance of the fluid within the arrangement 10a of FIG. 1 will be explained in more detail below in connection with and on the basis of fluid flows involved by means of the schematic arrangement 10b shown in FIG. Other elements of the arrangement, such as connecting pipes, at least one fluid pumping device and a heat exchanger and their basic interconnection to achieve a functional arrangement for fluid temperature control are well known to those skilled in the art and are therefore not further explained here for reasons of clarity.
Die Anordnung 10b umfasst zunächst eine Hinkanalanordnung 20 mit einem Hinhauptkanal 22, in welchem ein Fluidzustrom 122 zu der Wärmeaustauschfläche 16 hingeführt wird. Die zu kühlende Wärmeaustauschfläche 16 ist in Fig. 2 lediglich schematisch vereinfacht als eine Strichlinie dargestellt. Die Anordnung 10b umfasst weiter eine Rückkanalanordnung 40 mit einem Rückhauptkanal 42 zur Abführung eines Fluidrückstroms 142 von der Wärmeaustauschfläche 16. The assembly 10b initially includes a downcomer assembly 20 having a main passage 22 in which a fluid feed 122 is directed to the heat exchange surface 16. The heat exchange surface 16 to be cooled is shown in FIG. 2 only schematically simplified as a dashed line. The assembly 10b comprises a return channel arrangement 40 with a return main channel 42 for discharging a fluid return flow 142 from the heat exchange surface 16.
Es ist erkennbar, dass die Hinkanalanordnung 20 mehrere Zuleitabschnitte 24 aufweist, welche von dem Hinhauptkanal 22 abzweigen und mit diesem in Fluidverbin- dung stehen und durch welche der Fluidzustrom 122 in mehreren räumlich separaten Fluid-Teilzuströmen 124 unter einem Winkel auf die Wärmeaustauschfläche 16 gerichtet wird. Die Zuleitabschnitte 24 bilden in dem gezeigten Schema eine lineare, das heißt eine zellenförmige Anordnung. Vorliegend sind die Zuleitabschnitte 24 als Staupunktstromkanäle ausgebildet, wobei die in diesen geführten Fluid- Teilzuströme 124 im Wesentlichen senkrecht auf die Wärmeaustauschfläche 16 gerichtet sind und idealerweise auch senkrecht dort auftreffen. Die einzelnen Fluid- Teilzuströme 124 bilden somit eine Mehrzahl von Stauströmen aus, wodurch sich für den Wärmeabtransport ein besonders hoher Wert für den Wärmeübergangskoeffizienten einstellen und die Wärmeaustauschfläche 16 und ein thermisch mit dieser verbundenes Objekt somit effektiv gekühlt werden kann. It can be seen that the down channel arrangement 20 has a plurality of feed sections 24, which branch off from the main channel 22 and are in fluid communication therewith and through which the fluid feed 122 is directed at a plurality of spatially separate partial fluid inflows 124 at an angle to the heat exchange surface 16 , The Zuleitabschnitte 24 form in the scheme shown a linear, that is a cell-shaped arrangement. In the present case, the supply sections 24 are designed as stagnation point flow channels, wherein the partial fluid inflows 124 routed therein are directed essentially perpendicular to the heat exchange surface 16 and, ideally, also impinge perpendicular thereto. The individual partial fluid inflows 124 thus form a plurality of accumulation flows, as a result of which a particularly high value for the heat transfer coefficient can be set for the removal of heat and the heat exchange surface 16 and a thermally connected object can thus be effectively cooled.
Es ist weiter erkennbar, dass die Rückkanalanordnung 40 in einem hier betrachteten Wechselwirkungsbereich mit der Wärmeaustauschfläche 16 mehrere Ableitabschnitte 44 aufweist, welche so ausgebildet und angeordnet sind, dass darin von der Wärmeaustauschfläche 16 abgeführte Fluid-Teilabströme 144 räumlich separat von den Fluid-Teilzuströmen 124 geführt werden. Die Fluid-Teilabströme 144 werden dabei unter einem Winkel α, ß zu den Fluid-Teilzuströmen 124 geführt, so dass sich diese Fluid-Ströme nicht in deren Ausbreitung kreuzen und sich gegenseitig nicht behindern können. It can further be seen that the return duct arrangement 40 has, in an interaction region with the heat exchange surface 16 considered here, a plurality of diverting sections 44 which are designed and arranged such that partial fluid outflows 144 discharged from the heat exchange surface 16 are conducted spatially separate from the partial fluid inflows 124 become. In this case, the partial fluid outflows 144 are conducted at an angle α, β to the partial fluid inflows 124, so that these fluid flows do not intersect in their propagation and can not interfere with one another.
In Fig. 2 ist einem Zuleitabschnitt 24 genau ein Ableitabschnitt 44 zugeordnet, welcher sich strömungsmäßig an den Zuleitabschnitt 24 anschließt. Die dort vorhandenen Ableitabschnitte 44 sind in zwei Gruppen I, II angeordnet. Die Ableitabschnitte 44a bilden eine erste Gruppe und münden in einem ersten Rückkanal 46a der Rückkanalanordnung 40, während die Ableitabschnitte 44b eine zweite Gruppe bilden und in einem zweiten Rückkanal 46b münden. Beide Rückkanäle 46 stehen mit dem Rückhauptkanal 42 in Fluidverbindung. Zurückkehrend zu der mit Fig. 1 dargestellten Anordnung 10a weist diese das im Detail mit Fig. 3 dargestellte, etwa quaderförmige Fluidleitelement 50 auf, welches mit einer Kontaktfläche 51 abschnittweise an der Wärmeaustauschfläche 16 anliegt und sich zu dieser dort im direkten Wärmeübergang befindet. Der Hinhauptkanal 22 ist dabei durch einen Raumbereich auf der der Wärmeaustauschfläche 16 abgewandten Außenseite bzw. Oberfläche ausgebildet bzw. dort vorgesehen. In FIG. 2, a supply section 24 is assigned exactly one discharge section 44, which adjoins the supply section 24 in terms of flow. The existing there Ableitabschnitte 44 are arranged in two groups I, II. The discharge sections 44a form a first group and open into a first return channel 46a of the return channel arrangement 40, while the discharge sections 44b form a second group and open into a second return channel 46b. Both return channels 46 are in fluid communication with the return main channel 42. Returning to the arrangement 10a shown in FIG. 1, this has the approximately cuboidal fluid-conducting element 50 shown in detail in FIG. 3, which rests in sections on the heat exchange surface 16 with a contact surface 51 and is in direct heat transfer there. The main passage 22 is formed by a space region on the outside of the heat exchange surface 16 facing away from the surface or provided there.
Die Zuleitabschnitte 24 der Hinkanalanordnung 20 sind hier als eine zweidimensionale Matrix in Form eines Arrays angeordnet und verlaufen vom dem Hinhauptkanal 22 in einer Dickenrichtung durch das Fluidleitelement 50, um etwa senkrecht aus der Kontaktfläche 51 bzw. der Austrittsfläche in Richtung der zu temperierenden Wärmeaustauschfläche 16 auszutreten. The supply sections 24 of the down channel arrangement 20 are arranged here as a two-dimensional matrix in the form of an array and extend from the main channel 22 in a thickness direction through the fluid guide element 50 to emerge approximately perpendicularly from the contact surface 51 or the exit surface in the direction of the heat exchange surface 16 to be tempered ,
Lateral sind in der Kontaktfläche 51 mehrere parallele erste Nuten 52 eingebracht, welche mit deren Nutgrund jeweils die Austrittsöffnungen der Zuleitabschnitte 24 kreuzen. Senkrecht zu diesen ersten Nuten 52 sind gleichfalls mehrere parallele zweite Nuten 54 eingebracht, welche die ersten Nuten 52 schneiden und welche auch jeweils benachbart und parallel zu einer Zeile des Arrays der Zuleitabschnitte 24 angeordnet sind. Die ersten Nuten 52 sind somit jeweils in mehrere Abschnitte 521 separiert, wobei einem Zuleitabschnitt 24 jeweils ein Nutabschnitt 521 zugeordnet ist, welcher strömungsmäßig zwei entgegengesetzte Ableitabschnitte 44a, b zur Führung von zwei Fluid-Teilabströmen 144a, b bildet. Die Zuleitabschnitte 24 münden jeweils in den zweiten Nuten 54, wobei die Anzahl der zweiten Nuten 54 erkennbar geringer ist als die Anzahl der Zuleitabschnitte 24. Lateral, a plurality of parallel first grooves 52 are introduced in the contact surface 51, which intersect with their groove bottom in each case the outlet openings of the Zuleitabschnitte 24. Perpendicular to these first grooves 52 also a plurality of parallel second grooves 54 are introduced, which intersect the first grooves 52 and which are also adjacent to and arranged parallel to a row of the array of Zuleitabschnitte 24. The first grooves 52 are thus each separated into a plurality of sections 521, wherein a Zuleitabschnitt 24 is assigned in each case a groove portion 521, which in terms of flow two opposite Ableitabschnitte 44a, b for guiding two fluid partial outlets 144a, b forms. The Zuleitabschnitte 24 open respectively in the second grooves 54, wherein the number of second grooves 54 is noticeably smaller than the number of Zuleitabschnitte 24th
Die zweiten Nuten 54 sind im Querschnitt größer als die ersten Nuten 52 ausgeführt und bilden somit einzelne Rückkanäle 46 aus, deren Rückkanalströme 146 in einem in Fig. 1 nur schematisch dargestellten Rückhauptkanal 42 münden. Im behandelten Beispiel liegt ein Verhältnis der Anzahl von Zuleitabschnitten 24 zu der Anzahl von zweiten Nuten 54 bzw. Rückkanälen 46 von 15:4 vor. Wesentlich ist jedoch auch, dass die entsprechenden Kanalquerschnitte in der Hin- und Rückkanalanordnung 20, 40 so dimensioniert sind, dass ein zugeführter Fluidzustrom 122 von der zu kühlen- den Wärmeaustauschfläche 16 ohne Bildung eines Staus wieder als ein Fluidrück- strom 142 abgeführt werden kann. Insofern unterliegt die Dimensionierung der gesamten Kanalanordnung der Massenstromerhaltung des Fluids. The second grooves 54 are made larger in cross section than the first grooves 52 and thus form individual return channels 46, the return channel flows 146 open in a in Fig. 1 only schematically illustrated return main channel 42. In the example being treated, there is a ratio of the number of feed sections 24 to the number of second slots 54 and return channels 46 of 15: 4. However, it is also essential that the corresponding channel cross-sections in the forward and rearward channel arrangement 20, 40 are dimensioned such that a supplied fluid flow 122 is to be cooled from the one to be cooled. the heat exchange surface 16 can be discharged again as a fluid backflow 142 without the formation of a congestion. In this respect, the dimensioning of the entire channel arrangement is subject to the mass flow maintenance of the fluid.
In einer Zusammenschau der Fig. 1 und 3 wird weiterhin deutlich, dass die Ableitabschnitte 44 und die Rückkanäle 46 einseitig sowohl von dem Fluidleitelement 50 als auch von der zu temperierenden Wärmeaustauschfläche 16 begrenzt werden. Das Deckelement 14 kann auf die zwischen den Nuten 52, 54 verbleibenden Stege 53 beispielsweise durch Löten, Schweißen, Bonden oder ähnliches aufgebracht werden. Ein solcher Sandwichaufbau mit einem vergleichsweise dünnwandigen Deckelement 14 hat im Kontakt mit einem zu temperierenden Objekt einen nur geringen Wärmeübergangswiderstand zwischen dem Objekt und dem Fluid zur Folge, so dass damit trotz dieser Zwischenlage ein sehr effektiver Wärmeaustausch möglich ist. Ein Temperierkörper 12 mit einem Fluidleitelement 50 und einem Deckelement 14 kann alternativ auch monolithisch hergestellt werden. In a synopsis of FIGS. 1 and 3, it is further clear that the discharge sections 44 and the return channels 46 are bounded on one side both by the fluid guide element 50 and by the heat exchange surface 16 to be tempered. The cover member 14 may be applied to the remaining between the grooves 52, 54 ridges 53, for example by soldering, welding, bonding or the like. Such a sandwich construction with a comparatively thin-walled cover element 14 in contact with an object to be tempered results in only a small heat transfer resistance between the object and the fluid, so that, despite this intermediate layer, a very effective heat exchange is possible. A temperature control body 12 with a fluid guide element 50 and a cover element 14 can alternatively also be produced monolithically.
Gemäß einem weiteren und mit den Fig. 4-7 dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine grundsätzlich nach dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel aufgebaute und arbeitende Anordnung 10c zur Fluidkühlung eines Rotors einer elektrischen Maschine vorgestellt. According to a further and with the Fig. 4-7 illustrated embodiment, a basically constructed and operating according to the above-described embodiment arrangement 10c is presented for fluid cooling of a rotor of an electric machine.
Fig. 4 zeigt hierzu eine als Asynchronmaschine ausgestaltete elektrische Maschine 60 mit einem zylindrischen Stator 64, der eine Statorwicklung 66 trägt und mit einem in einem zentralen Hohlraum um eine Achse A drehbar gelagerten Rotor 62, der eine Käfigwicklung trägt. Der Rotor 62 weist dabei eine hohle Rotorwelle 67 mit einer mittels Fluid zu kühlenden inneren Oberfläche 67a auf, welche hierbei die Wärmeaustauschfläche 16 bildet. Fig. 4 shows this designed as an asynchronous electrical machine 60 with a cylindrical stator 64 which carries a stator winding 66 and with a rotatably mounted in a central cavity about an axis A rotor 62, which carries a cage winding. In this case, the rotor 62 has a hollow rotor shaft 67 with an inner surface 67a to be cooled by means of fluid, which forms the heat exchange surface 16 in this case.
Das Fluidleitelement 50 ist hierbei gemäß der Fig. 5-7 als ein hohlzylindrisches Ein- satzteil 68, insbesondere als eine Innenwelle aus einem Kupferwerkstoff ausgeführt und so in die Hohlwelle 67 eingesetzt, dass diese vergleichbar zu dem vorher besprochenen Ausführungsbeispiel zumindest abschnittweise an der Hohlwelle 67 anliegt, um dadurch auch einen direkten Wärmeübergang zu ermöglichen. Das Einsatzteil 68 weist eine mehrfach im Durchmesser gestufte zentrale Ausnehmung 70 in Form eines Sackloches auf, welche den Hinhauptkanal 22 zur Führung eines in die Anordnung einströmenden Fluids mit niedriger Temperatur ausbildet. Von diesem Hinhauptkanal 22 gehen mehrere, nach radial außen verlaufende Zuleitabschnitte 24 ab, welche an einer zylindrischen Au ßenumfangsf lache des Einsatzteils 68 münden. Die Zuleitabschnitte 24 sind als Radialbohrungen ausgeführt und sind somit senkrecht auf die zu kühlende Innenumfangsfläche 67a der Rotorwelle 67 gerichtet, wodurch die in diesen Zuleitabschnitten 24 geführten einzelnen Fluid- Teilzuströme 124 als Staupunktströme auf die innere Wärmeaustauschfläche 16 der Rotorwelle 67 treffen. The fluid guide element 50 is in this case according to FIGS. 5-7 designed as a hollow cylindrical insert 68, in particular as an inner shaft of a copper material and inserted into the hollow shaft 67, that this comparable to the previously discussed embodiment at least in sections on the hollow shaft 67th is applied, thereby also allowing a direct heat transfer. The insert member 68 has a multi-diameter stepped central recess 70 in the form of a blind hole which forms the main passage 22 for guiding a low-temperature fluid flowing into the assembly. From this Hinhauptkanal 22 go from a plurality of radially outwardly extending Zuleitabschnitte 24, which open at a cylindrical Au ßenumfangsf laugh the insert 68. The Zuleitabschnitte 24 are designed as radial bores and are thus directed perpendicular to the inner peripheral surface 67a of the rotor shaft 67 to be cooled, whereby the guided in these Zuleitabschnitten 24 individual fluid partial flows 124 meet as Staupunktströme on the inner heat exchange surface 16 of the rotor shaft 67.
Das mit Fig. 3 erläuterte System von ersten und zweiten Nuten 52, 54 und der sich damit ergebenden Ableitabschnitte 44 und Rückkanäle 46 ist hier gleichermaßen verwirklicht, wobei die Anordnung von Fig. 3 als eine zweidimensionale Abwicklung des Einsatzteils 68 von Fig. 7 angesehen werden kann. In dem mit Fig. 6a gezeigten Radialschnitt sind der axial zentral verlaufende Hinhauptkanal 22, radiale Zuleitabschnitte 24, in Umfangsrichtung verlaufende Ableitabschnitte 44 und axial verlaufende Rückkanäle 46 sichtbar. Fig. 6b zeigt einen Radialschnitt axial außerhalb der Zuleitabschnitte 24, wobei das Einsatzteil 68 mit Abschnitten bzw. Stegen 53 direkt an der Hohlwelle 67 anliegt und mit dieser im Wärmeübertragungskontakt steht. In der perspektivischen Darstellung von Fig. 7 sind die sichtbaren Fluidkanäle und darin verlaufenden Fluidströme angegeben. The illustrated with Fig. 3 system of first and second grooves 52, 54 and the resulting Ableitabschnitte 44 and return channels 46 is equally realized here, the arrangement of Fig. 3 as a two-dimensional development of the insert part 68 of FIG. 7 are considered can. In the radial section shown with Fig. 6a, the axially centrally extending main channel 22, radial Zuleitabschnitte 24, extending in the circumferential direction Ableitabschnitte 44 and axially extending return channels 46 are visible. Fig. 6b shows a radial section axially outside of Zuleitabschnitte 24, wherein the insert member 68 abuts with portions or webs 53 directly to the hollow shaft 67 and is in heat transfer contact with this. In the perspective view of Fig. 7, the visible fluid channels and fluid flows therein are indicated.
Die in den Rückkanälen 46 geführten Rückkanalströme 146 vereinigen sich wiederum im Rückhauptkanal 42 zu einem Fluidrückstrom 142 mit einer gegenüber dem Fluidzustrom 122 höheren Temperatur, welcher vom axialen Endbereich des Einsatzteils 68 ausgehend zunächst weiter in der Rotorwelle 67 und dann in weiteren, hier nicht gezeigten Fluidleitungen zu einem Wärmetauscher verläuft. The return channel flows 146 guided in the return channels 46 in turn combine in the return main channel 42 to a fluid return flow 142 having a higher temperature compared to the fluid flow 122, which initially proceeds from the axial end region of the insert 68 in the rotor shaft 67 and then into further fluid lines (not shown here) goes to a heat exchanger.
Das erläuterte Fluidleitelement 50 in Gestalt des Einsatzteils 68 kann als zylindrisches Massivteil gefertigt werden. Alternativ dazu kann auch von einem ebenflächigen Halbzeug ausgegangen werden, welches nach dem Erzeugen der erläuterten Kanalstruktur rund gebogen und somit in eine zylindrische Form gebracht wird. So können Geometrien mit vergleichsweise großen Radien einfach und ohne Hinter- schneidungen hergestellt werden. The explained fluid guide element 50 in the form of the insert part 68 can be manufactured as a cylindrical solid part. Alternatively, it can also be assumed that a flat semi-finished product, which after generating the explained Channel structure is bent around and thus brought into a cylindrical shape. Thus, geometries with comparatively large radii can be produced easily and without undercuts.
Bezuaszeichen Bezuaszeichen
Anordnung zur FluidtemperierungArrangement for fluid temperature control
Temperierkörper temperature conditioning
Deckelement cover element
a Oberflächea surface
b Oberfläche b surface
Wärmeaustauschfläche  Heat exchange surface
Wärmestrom  heat flow
Hinkanalanordnung  Hinkanalanordnung
Hinhauptkanal  Hinhauptkanal
Zuleitabschnitt  conductive portion
Rückkanalanordnung  Back-channel arrangement
Rückhauptkanal  Rear main channel
Ableitabschnitt  inferring
Rückkanal  backchannel
Fluidleitelement  fluid guide
Kontaktfläche  contact area
erste Nut  first groove
Steg  web
zweite Nut  second groove
elektrische Maschine  electric machine
Rotor  rotor
Stator  stator
Statorwicklung  stator
Rotorwelle rotor shaft
a innere Oberfläche a inner surface
Einsatzteil  insert
Zentralausnehmung central opening
2 Fluidzustrom2 fluid flow
4 Fluidteilzustrom4 partial fluid flow
2 Fluidrückstrom2 fluid reflux
4 Fluidteilabstrom Rückkanalstrom Nutabschnitt4 partial fluid flow Return channel current groove section
Winkel Winkel Angle angle

Claims

Patentansprüche claims
1 . Anordnung zur Fluidtemperierung, umfassend 1 . Arrangement for fluid temperature control, comprising
- eine Wärmeaustauschfläche (16),  a heat exchange surface (16),
- eine Hinkanalanordnung (20) zur Zuführung eines Fluidzustroms (122) zu der Wärmeaustauschfläche (16) mit einem Hinhauptkanal (22);  - An Hinkanalanordnung (20) for supplying a fluid flow (122) to the heat exchange surface (16) with a Hinhauptkanal (22);
- eine Rückkanalanordnung (40) zur Abführung eines Fluidrückstroms (142) von der Wärmeaustauschfläche (16) mit einem Rückhauptkanal (42), wobei  - A return duct arrangement (40) for discharging a fluid return flow (142) from the heat exchange surface (16) with a return main channel (42), wherein
- die Hinkanalanordnung (20) mehrere Zuleitabschnitte (24) umfasst, welche mit dem Hinhauptkanal (22) in Fluidverbindung stehen und durch welche der Flu- idstrom in mehreren räumlich separaten Fluid-Teilzuströmen (124) unter einem Winkel auf die Wärmeaustauschfläche (16) gerichtet wird,  - The Hinkanalanordnung (20) comprises a plurality Zuleitabschnitte (24) which are in fluid communication with the Hinhauptkanal (22) and through which the id id in a plurality of spatially separate fluid partial inflows (124) directed at an angle to the heat exchange surface (16) becomes,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
- die Rückkanalanordnung (40) in einem Wechselwirkungsbereich mit der Wärmeaustauschfläche (16) Ableitabschnitte (44) aufweist, welche so ausgebildet und angeordnet sind, dass darin von der Wärmeaustauschfläche (16) abgeführte Fluid-Teilabströme (144) räumlich separat von den Fluid-Teilzuströmen (124) geführt werden.  - The return channel assembly (40) in an area of interaction with the heat exchange surface (16) Ableitabschnitte (44) which are formed and arranged so that therein from the heat exchange surface (16) discharged fluid partial outflows (144) spatially separate from the fluid Teilzuströmen (124) are guided.
2. Anordnung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass einem Zuleitabschnitt (24) wenigstens ein Ableitabschnitt (44) zugeordnet ist, welcher sich strömungsmäßig an den Zuleitabschnitt (24) anschließt 2. Arrangement according to claim 1, characterized in that a Zuleitabschnitt (24) is associated with at least one Ableitabschnitt (44), which is fluidly connected to the Zuleitabschnitt (24)
3. Anordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkanalanordnung (40) zumindest einen Rückkanal (46) aufweist, welcher mit dem Rückhauptkanal (42) in Fluidverbindung steht oder diesen ausbildet und in den mehrere Ableitkanäle von verschiedenen Fluid-Teilabströmen (144) münden. 3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the return duct arrangement (40) has at least one return duct (46) which is in fluid communication with or forms the return main duct (42) and into which several discharge ducts of different partial fluid outlets ( 144).
4. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zuleitabschnitt (24) als ein Staupunktstromkanal ausgebildet ist, wobei dessen Fluid- Teilzustrom (124) im Wesentlichen senkrecht auf die Wärmeaustauschfläche (16) gerichtet ist. 4. Arrangement according to one of claims 1-3, characterized in that a feed section (24) is designed as a stagnation flow channel, wherein the fluid partial flow (124) is directed substantially perpendicular to the heat exchange surface (16).
5. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung ein Fluidleitelement (50) umfasst mit einer zugeordneten Wärmeaustauschfläche (16), wobei die Zuleitabschnitte (24) der Hinkanalanordnung (20) in dem Fluidleitelement (50) ausgebildet sind und wobei die Ableitabschnitte (44) und der zumindest eine Rückkanal (46) von dem Fluidleitelement (50) und/oder von der zugeordneten Wärmeaustauschfläche (16) begrenzt werden. 5. Arrangement according to one of claims 1-4, characterized in that the arrangement comprises a fluid guide element (50) with an associated heat exchange surface (16), wherein the Zuleitabschnitte (24) of the Hinkanalanordnung (20) in the Fluidleitelement (50) are formed and wherein the discharge sections (44) and the at least one return channel (46) are delimited by the fluid guide element (50) and / or by the associated heat exchange surface (16).
6. Anordnung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidleitelement (50) aus einem metallischen Werkstoff besteht und sich zumindest bereichsweise mit der zugeordneten Wärmeaustauschfläche (16) in Anlagekontakt befindet. 6. Arrangement according to claim 5, characterized in that the fluid guide element (50) consists of a metallic material and is at least partially in abutment with the associated heat exchange surface (16).
7. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur Fluidkühlung eines Rotors (62) einer elektrischen Maschine (60) ausgebildet ist, wobei der Rotor (62) eine hohle Rotorwelle (67) mit einer zu kühlenden inneren Wärmeaustauschfläche (16) aufweist und wobei das Fluidleitelement (50) als ein hohlzylindrisches Einsatzteil (68) ausgeführt ist und wobei der Hinhauptkanal (22) innerhalb des Einsatzteils (68) ausgebildet ist, die Zuleitabschnitte (24) von radial innen nach radial außen geführt sind und wobei zumindest ein Rückkanal (46) und Ableitabschnitte (44) an der Außenfläche des Einsatzteils (68) verlaufen. 7. Arrangement according to one of claims 1-6, characterized in that the arrangement for fluid cooling of a rotor (62) of an electrical machine (60) is formed, wherein the rotor (62) has a hollow rotor shaft (67) with an inner to be cooled Heat exchange surface (16) and wherein the Fluidleitelement (50) is designed as a hollow cylindrical insert part (68) and wherein the Hinhauptkanal (22) within the insert part (68) is formed, the Zuleitabschnitte (24) are guided from radially inward to radially outward and wherein at least one return channel (46) and discharge sections (44) extend on the outer surface of the insert part (68).
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