WO2022069490A1 - Flüssigkeitsgekühlter bremswiderstand mit turbulator - Google Patents

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WO2022069490A1
WO2022069490A1 PCT/EP2021/076690 EP2021076690W WO2022069490A1 WO 2022069490 A1 WO2022069490 A1 WO 2022069490A1 EP 2021076690 W EP2021076690 W EP 2021076690W WO 2022069490 A1 WO2022069490 A1 WO 2022069490A1
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coolable
resistor
tube
electrically conductive
conductive device
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PCT/EP2021/076690
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Inventor
Stephan HAAK
Martin Schmid
Original Assignee
Heine Resistors Gmbh
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C1/00—Details
    • H01C1/01—Mounting; Supporting
    • H01C1/012—Mounting; Supporting the base extending along and imparting rigidity or reinforcement to the resistive element
    • H—ELECTRICITY
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    • H01C1/08—Cooling, heating or ventilating arrangements
    • H—ELECTRICITY
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    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/18—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material comprising a plurality of layers stacked between terminals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B7/00—Insulated conductors or cables characterised by their form
    • H01B7/0081—Cables of rigid construction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C1/00—Details
    • H01C1/08—Cooling, heating or ventilating arrangements
    • H01C1/082—Cooling, heating or ventilating arrangements using forced fluid flow

Definitions

  • the present invention relates to a liquid-cooled braking resistor.
  • excess braking energy can be converted into braking resistors - kinetic energy is converted into electrical energy by a regenerative brake, for example, and this is converted into a cooled braking resistor - the resistor acts as a consumer, so to speak, converting the electrical energy into thermal energy, which must then be dissipated accordingly in order to avoid local overheating of the braking resistor.
  • a braking resistor must have a corresponding dielectric strength, a sufficiently high pressure stability (if the medium flowing through has a higher pressure) and a power requirement in order to be suitable for use.
  • Braking resistors are used, for example, in e-trucks (trucks with electric motors) and e-buses, but braking resistors can also be used in the rail vehicle sector and in other drive concepts, especially in those drive concepts where there is little installation space and noise emission limits.
  • liquid-cooled braking resistors are also known in the prior art.
  • an active element ie the actual electrical resistance
  • the cooling medium then has no direct contact with the resistance but is routed through holes in the aluminum housing, where it can cool the resistance.
  • Tubular heaters can also be used in a closed container and the closed container is cooled accordingly.
  • liquid-cooled braking resistors in a modular design are possible, and the actual resistor, ie the active element, can be embedded in a flow channel of the housing.
  • the electrical insulation between the coolant and the active element can be implemented, for example, by means of a silicone coating.
  • the tubular heater is insulated and designed to be liquid-tight. The coolant can then flow around the tubular heater and dissipate heat accordingly.
  • document EP 2 592 633 A1 discloses a liquid-cooled braking resistor which has a block, a liquid inlet, a liquid outlet and a cavity.
  • the cavity has an open side terminated by a thermally conductive but electrically insulating flat sheet.
  • This flat layer supports a flat resistor, the main planes are aligned parallel to each other.
  • the cavity is provided with a liquid flow path between the liquid inlet and the liquid outlet, and elastically pressing means designed to press the flat sheet against the resistance are accommodated in the cavity.
  • the resilient means comprises a plurality of springs located in the block's internal fluid flow path.
  • the coolant is meandered along the insulated active element to enable sufficient heat absorption.
  • a course of flow causes a high pressure loss, which is further increased by the elastic elements. Due to the flat design, the housing has only a low pressure stability.
  • a coolable resistor according to the invention comprises a tube and an electrically conductive device which extends along the tube.
  • a turbulator is provided in the tube, which is preferably designed in the form of a spiral or helix. This turbulator ensures that an increased turbulent flow occurs inside the pipe, which also causes corresponding turbulence. A turbulent flow causes better convective heat transport compared to a laminar flow. In particular, the turbulator ensures that the degree of turbulence is further increased and, above all, macroscopic transverse flows are induced, which lead to a corresponding mixing of the fluid and the thermal boundary layers that are being formed are disturbed, so that the heat transfer is improved as a result.
  • the design according to the invention enables high temperatures in or around the electrically conductive device, for example up to 600°C. Due to the high temperature spread between the electrically conductive device and the coolant, i.e. high temperature difference, a very high heat flow can be given off to the coolant, since the heat flow depends on the temperature difference.
  • a simple linear flow control in the coolable resistor ensures very good heat transfer, and a coolant can be operated well above the usual target temperatures due to the very high permissible operating pressures. Partial overheating can thus be avoided.
  • At least one cooling fin is preferably attached to the inside of the tube.
  • the at least one cooling fin located inside the tube creates an increased surface area with which the coolant comes into contact. As a result, a sufficiently large heat flow can be absorbed, which is generated by the electrically conductive device.
  • This provides for the provision of a plurality of radially running cooling ribs, which preferably extend radially from the outside inwards to form a star shape Cross-section of the inside of the tube, creating larger surfaces with which the cooling liquid comes into contact.
  • the heat absorption by the coolant is correspondingly better, since both the heat conduction and the convective heat transfer depend on the available surface.
  • a channel is provided inside the tube and a plurality of pockets are provided radially around the channel, bounded by at least one cooling fin, the turbulator preferably being provided in the channel.
  • the pockets Due to the turbulence caused by the turbulator and a turbulent flow, the pockets are also completely flowed through, and there are no dead spaces that would slow down or worsen the heat absorption by the coolant.
  • the turbulator can also be designed as a solid rod, so that the flow is only present in the rib area. The flow can be displaced in the channel by using a solid rod in order to increase the flow speed in the pockets. This also causes a turbulent flow.
  • the tube is preferably made of aluminum or an aluminum-containing alloy. Such a material transfers the heat to the coolant without high thermal resistance.
  • the coolable resistor has an electrically insulating layer applied between the outer surface of the tube and the electrically conductive device. This ensures that no electric current flows into the pipe.
  • the electrically insulating layer has very good thermal conductivity, so that the heat flow generated by the electrically conductive device can be passed on effectively to the pipe and from there convectively to the coolant.
  • the electrically insulating layer is made of ceramic, sintered ceramic paste or a ceramic composite material. This can be applied by thermally spraying ceramics, sintering ceramic pastes or similar insulating materials. The materials used are designed in their material properties in such a way that thermal stresses do not occur lead to cracking.
  • the electrically insulating layer electrically separates the tube and the electrically conductive device from one another, but has good heat permeability so that the flow of heat from the electrically conductive device can be efficiently transferred into the tube, which is then convectively absorbed in the tube by the coolant flowing through it. Ceramics have particularly good heat-conducting properties.
  • a layer thickness is applied depending on the insulation requirement and has a very low thermal resistance, which can be achieved in particular by ceramic composite materials.
  • the layer thickness of the electrically insulating layer is preferably 50-500 ⁇ m.
  • the thermal conductivity of the material of the electrically conductive layer is preferably between 0.5 and 2 W/mK, more preferably 1 W/mK.
  • the electrically conductive device includes an electrically conductive wire wound onto the electrically insulating layer.
  • the wire is preferably cross-wound with low inductance, but it can also be wound regularly, as would be the case with a coil.
  • the electrically conductive device could also be applied using screen printing methods, in which case appropriate pastes would have to be applied and sintered.
  • the electrically conductive device makes it possible for the electrically conductive device to have the largest possible surface area, which can give off heat correspondingly well to the tube, which in turn absorbs the heat and then passes it on convectively to a cooling medium flowing through.
  • a connecting device is preferably provided at both ends of the electrically conductive connection, via which the electrically conductive device can be connected to a generator.
  • the two connecting devices present at each end of the electrically conductive device are in the form of pipe clamps. This is a particularly simple way of connecting a generator.
  • the pipe clamps can then have a connection section to which a cable can be soldered or welded, for example, with any other connection technique being suitable.
  • the electrically conductive device is preferably embedded in a high-temperature-stable layer, which preferably consists of cement, ceramic or a composite material. This ensures that the layer does not melt or cause damage to the entire resistor at high temperatures.
  • the layer that is stable at high temperatures is preferably surrounded by an insulating jacket, which preferably has at least one mechanically stabilizing element.
  • the insulating jacket is intended to prevent heat loss to the surroundings and to ensure that almost all of the heat flow is transferred to the tube and thus to the coolant.
  • a mechanically stabilizing element ensures that the insulating jacket is stable and damage is avoided.
  • the mechanically stabilizing element can be, for example, a glass fiber tube that is pulled over the insulating jacket.
  • a system according to the invention has at least two coolable resistors, the coolable resistors being arranged in parallel, with a first connecting pipe being connected to one end of the coolable resistors and thus forming an inlet pipe, and a second connecting pipe being connected to the other end of the coolable resistors and serves as a drain pipe, so to speak.
  • This allows for a modular structure, so that several coolable resistors can be connected in parallel as required, preferably also dynamically controlled depending on the operating mode.
  • the power of the resistor can also be easily scaled in this way.
  • the individual resistors can be connected in series or in parallel.
  • tubes are connected in parallel to the cooling circuit and are hydraulically balanced (can be balanced via the orifice size at the inlet/outlet of the resistance tube) in order to enable maximum coolant spread in the individual resistance tube. Due to the narrowing of the cross section in the coolable resistor, which is caused in particular by the cooling fins, the flow rate increases and the heat transfer is improved. Any partial pressure increase that may occur in the pipe also leads to a Equalization of flow between the individual pipes, so that hydraulic balancing can even be dispensed with if necessary.
  • Undesirable thermal expansions in the pipe can be controlled by appropriate selection of materials for the electrically conductive device and the electrically insulating layer, so as to ensure that cracks or similar damage do not occur.
  • FIG. 1 shows a coolable resistor according to the invention in an isometric view according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows an isometric view of an array of multiple coolable resistors in accordance with the present invention.
  • FIG. 3 shows an isometric view of a turbulator.
  • Fig. 4 shows an isometric view of a tube, in the inside of which a turbulator is accordingly inserted.
  • FIG. 1 shows an exploded view and isometric view of a coolable resistor W according to the invention.
  • a corresponding tube 1 can be seen, which is cylindrical in the present case.
  • Inside the tube 1 a plurality of cooling fins 2a are arranged radially around the inner circumference of the tube 1, extending radially inward and forming pockets 2b between the cooling fins 2a, respectively.
  • the cooling fins 2a do not extend all the way to the center of the tube 1, leaving a cylindrical channel 2b of circular cross-section in the center.
  • An electrically insulating layer 3 is arranged around the tube.
  • a high-temperature-stable layer 5a is arranged thereon, in which the electrically conductive device 5 (not shown here) is embedded.
  • a connecting device 4 can be seen, which in this case is designed as a pipe clamp. This is connected to the electrically conductive device 5 (not shown here), and a connecting device 4 is also provided on a connection section 10 to which an electric generator can be connected.
  • An insulating jacket 6 is applied as the outermost layer, which has a low thermal conductivity and ensures that the heat flow generated by the electrically conductive device is conducted in the direction of the pipe, where it can then be convectively transferred to the coolant.
  • At least one mechanically stabilizing element 11 (not shown here) is provided in the insulating jacket 6 .
  • FIG. 2 shows an interconnection of several coolable resistors W as a so-called stack 7.
  • Each of the resistors has two connection sections 10 to which a corresponding generator can be connected.
  • a total of five resistor assemblies W are connected in parallel here.
  • a first connecting pipe 8 connects one side of each coolable resistor W, and a second connecting pipe 9 connects the other side of each of the five coolable resistors W.
  • a constant flow through all coolable resistors W can thus be established.
  • the position of the first connecting pipe 8 and the second connecting pipe 9 can basically be freely selected.
  • FIG. 3 shows a turbulator 12 which is designed as a sheet metal twisted in a spiral or helical shape.
  • This turbulator 12 serves to swirl the flow accordingly when it is subjected to an axial flow, so that not only an axial flow component but also a radial or swirling or rotating flow component is present.
  • the turbulator could also be designed as a simple rod.
  • FIG. 4 shows an arrangement of the turbulator 12 inside the pipe 1 .
  • a plurality of cooling fins 2a are arranged around the channel 2b, and a plurality of pockets 2c are thereby formed between the cooling fins 2a.
  • the turbulator is provided here in the channel 2b, but can also protrude into the pockets 2c.
  • the turbulator 12 serves to generate a turbulent flow, which for the convective Heat transfer between pipe 1 and the coolant flowing through it is more advantageous than a laminar flow.
  • the present application is not limited to the embodiment described.
  • the tube 1 does not have to have a circular cross-section; it could also be elliptical, square, rectangular or polygonal, for example.
  • cooling ribs instead of the cooling ribs, other installations in the tube are also possible, which can have a different shape, for example rods, wires or other devices.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen kühlbaren Widerstand (W), welcher aufweist: Ein Rohr (1), an dessen Innenseite mindestens eine Kühlrippe (2) angebracht ist und einer elektrisch leitende Vorrichtung (5), welche sich entlang des Rohrs (1) erstreckt. Im Inneren des Rohrs (1) ist ist ein Turbulator (12) vorgesehen ist, welcher dazu angepasst ist, eine turbulente Strömung zu erzeugen. Die Innenseite des Rohrs (1) ist von einer Flüssigkeit durchströmbar, wodurch von der elektrisch leitenden Vorrichtung (5) erzeugte Wärme konvektiv aufnehmbar ist.

Description

BESCHREIBUNG
Flüssigkeitsgekühlter Bremswiderstand mit Turbulator
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen flüssigkeitsgekühlten Bremswiderstand.
Im Bereich der Antriebstechnik kann überschüssige Bremsenergie in Bremswiderständen umgesetzt werden- kinetische Energie wird also beispielsweise von einer generatorischen Bremse in elektrische Energie umgewandelt, und diese wird in einem gekühlten Bremswiderstand umgesetzt - der Widerstand agiert sozusagen als Verbraucher, wandelt die elektrische Energie in Wärmenergie um, welche dann entsprechend abgeführt werden muss, um eine lokale Überhitzung des Bremswiderstands zu vermeiden. Ein solcher Bremswiderstand muss eine entsprechende Spannungsfestigkeit, eine hinreichend große Druckstabilität (falls das durchströmende Medium einen höheren Druck aufweist) und eine Leistungsbeanspruchung aufweisen können, um für den Einsatz tauglich zu sein.
Bremswiderstände kommen beispielsweise in E-Trucks (Lastwagen mit Elektromotoren) und E-Bussen zum Einsatz, aber auch im Schienenfahrzeugbereich und in anderen Antriebskonzepten können Bremswiderstände eingesetzt werden, insbesondere in solchen Antriebskonzepten, wo geringe Bauräume und Schallemissionsgrenzen vorhanden sind.
Im Stand der Technik sind vielzählige luftgekühlte Bremswiderstände vorhanden, diese erfordern allerdings ein entsprechendes Belüftungssystem und daher entsprechend großen Bauraum.
Im Stand der Technik sind auch verschiedene Bauformen von flüssigkeitsgekühlten Bremswiderständen bekannt. Beispielsweise kann ein Aktivelement, d.h. der eigentliche elektrische Widerstand, in einem Aluminiumgehäuse oder Rohrheizkörper eingebettet werden, das Kühlmedium hat dann keinen direkten Kontakt zum Widerstand sondern wird durch Bohrungen im Aluminiumgehäuse geführt, wo es den Widerstand abkühlen kann. Auch können Rohrheizkörper in einen geschlossenen Behälter eingesetzt werden, und der geschlossene Behälter wird entsprechend gekühlt. Ferner sind flüssigkeitsgekühlte Bremswiderstände in modularer Bauweise möglich, und der eigentliche Widerstand, also das Aktivelement, kann in einem Strömungskanal des Gehäuses eingebettet werden. Die elektrische Isolation zwischen Kühlmittel und Aktivelement kann beispielsweise durch eine Silikonummantelung realisiert werden. Bei der Bauform, in welcher das Aktivelement in einem Rohrheizkörper isoliert wird, ist der Rohrheizkörper isoliert und flüssigkeitsdicht aufgebaut. Das Kühlmittel kann dann den Rohrheizkörper umströmen und Wärme entsprechend abführen.
Im Dokument EP 2 592 633 A1 ist beispielsweise ein flüssigkeitsgekühlter Bremswiderstand offenbart, weicher einen Block, einen Flüssigkeitseinlass, einen Flüssigkeitsauslass und einen Hohlraum aufweist. Der Hohlraum weist eine offene Seite auf, die durch eine thermisch leitende, aber elektrisch isolierende flache Schicht abgeschlossen ist. Diese flache Schicht stützt einen flachen Widerstand, die Hauptebenen sind parallel zueinander ausgerichtet. Der Hohlraum ist mit einem Flüssigkeitsströmungsweg zwischen dem Flüssigkeitseinlass und dem Flüssigkeitsauslass versehen, und im Hohlraum sind elastisch Pressmittel untergebracht, die so ausgelegt sind, dass die flache Schicht gegen den Widerstand gepresst wird. Die elastischen Mittel weisen eine Vielzahl von Federn auf, die im internen Flüssigkeitsströmungsweg des Blocks angeordnet sind.
Das Kühlmittel wird mäanderförmig am isolierten Aktivelement entlanggeführt, um eine ausreichende Wärmeaufnahme zu ermöglichen. Ein solcher Strömungsverlauf verursacht allerdings einen hohen Druckverlust, welcher durch die elastischen Elemente noch weiter verstärkt wird. Aufgrund der flächigen Bauform ist zudem nur eine geringe Druckstabilität des Gehäuses gegeben.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gekühlten Bremswiderstand bereitzustellen, welcher eine hohe Druckstabilität, einen geringen internen Druckverlust, eine hohe Spannungsfestigkeit und eine verbesserte Wärmeübertragung aufweist. Diese Aufgabe wird gelöst von einem kühlbaren Widerstand gemäß Anspruch 1 sowie einem System gemäß Anspruch 12.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erfindungsgemäßer kühlbarer Widerstand umfasst ein Rohr sowie eine elektrisch leitende Vorrichtung, welche sich entlang des Rohrs erstreckt.
Im Rohr ist ein Turbulator vorgesehen, welcher vorzugsweise spiral- oder helixförmig ausgebildet ist. Dieser Turbulator sorgt dafür, dass sich im Inneren des Rohrs eine verstärkte turbulente Strömung einstellt, welche auch entsprechende Verwirbelungen hervorruft. Eine turbulente Strömung ruft verglichen mit einer laminaren Strömung einen besseren konvektiven Wärmetransport hervor. Der Turbulator sorgt insbesondere dafür, dass der Turbulenzgrad weiter erhöht wird und vor allem aber auch makroskopische Querströmungen induziert werden, die zu einer entsprechenden Vermischung des Fluides führen und die sich bildenden thermischen Grenzschichten gestört werden, sodass dadurch der Wärmeübergang verbessert wird.
Die erfindungsgemäße Bauform ermöglicht hohe Temperaturen in oder rund um die elektrisch leitende Vorrichtung, beispielsweise bis zu 600°C. Durch die hohe Temperaturspreizung zwischen der elektrisch leitenden Vorrichtung und dem Kühlmittel, d.h. hohen Temperaturdifferenz, kann ein sehr hoher Wärmestrom an das Kühlmittel abgegeben werden, da der Wärmestrom von der Temperaturdifferenz abhängt. Eine einfache lineare Strömungsführung im kühlbaren Widerstand gewährleistet einen sehr guten Wärmeübergang, und ein Kühlmittel kann aufgrund der sehr hohen zulässigen Betriebsdrücke weit über den üblichen Zieltemperaturen betrieben werden. Partielle Überhitzungen können so vermieden werden.
Vorzugsweise ist an der Innenseite des Rohrs mindestens eine Kühlrippe angebracht. Die im Rohrinneren befindliche mindestens eine Kühlrippe erzeugt eine vergrößerte Oberfläche, mit welcher das Kühlmittel in Kontakt kommt. Dadurch kann ein hinreichend großer Wärmestrom aufgenommen werden, welcher von der elektrisch leitenden Vorrichtung erzeugt wird.
Dies sorgt beim Vorsehen von mehreren radial verlaufenden Kühlrippen, die sich vorzugsweise von radial außen nach innen erstrecken zu einem sternförmigen Querschnitt des Inneren des Rohres, wodurch größere Oberflächen entstehen, mit welchen die Kühlflüssigkeit in Kontakt kommt. Entsprechend besser ist auch die Wärmeaufnahme durch das Kühlmittel, da sowohl die Wärmeleitung als auch der konvektive Wärmeübergang von der zur Verfügung stehenden Fläche abhängen.
Vorzugsweise ist im Inneren des Rohrs ein Kanal vorgesehen, und um den Kanal sind radial mehrere Taschen vorgesehen sind, welche durch mindestens eine Kühlrippe begrenzt werden, wobei der Turbulator vorzugsweise im Kanal vorgesehen ist.
Durch die durch den Turbulator hervorgerufenen Verwirbelungen und einer turbulenten Strömung werden auch die Taschen komplett durchströmt, und es entstehen keine Toträume, welche die Wärmeaufnahme durch das Kühlmittel verlangsamen bzw. verschlechtern würden. Weiterhin kann der Turbulator auch als Vollstab ausgeführt werden, um die Strömung nur im Rippenbereich anliegen zu lassen. Im Kanal kann durch den Einsatz eines Vollstabes die Strömung verdrängt werden, um die Strömungsgeschwindigkeit in den Taschen zu erhöhen. Auch dies ruft eine turbulente Strömung hervor.
Vorzugsweise ist das Rohr aus Aluminium oder einer aluminiumhaltigen Legierung gefertigt. Ein solches Material leitet die Wärme ohne hohen thermischen Widerstand an das Kühlmittel weiter.
Vorzugsweise weist der kühlbare Widerstand eine elektrisch isolierende Schicht auf, welche zwischen der äußeren Oberfläche des Rohrs und der elektrisch leitenden Vorrichtung aufgebracht ist. Diese sorgt dafür, dass kein elektrischer Strom in das Rohr fließt. Gleichzeitig weist die elektrische isolierende Schicht eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit auf, damit der Wärmestrom, welcher von der elektrisch leitenden Vorrichtung erzeugt wird, effektiv an das Rohr und von dort aus konvektiv an das Kühlmittel weitergegeben werden kann.
Weiter vorzugsweise ist die elektrisch isolierende Schicht aus Keramik, gesinterter Keramikpaste oder einem keramischen Verbundwerkstoff ausgebildet. Diese kann durch thermisches Spritzen von Keramik, das Sintern von Keramikpasten oder ähnlichen Isoliermaterialien aufgebracht werden. Die verwendeten Materialien sind so in ihrer Matenaleigenschaft ausgelegt sind, dass thermische Spannungen zu keiner Rissbildung führen. Die elektrisch isolierende Schicht trennt das Rohr und die elektrisch leitende Vorrichtung elektrisch voneinander, hat jedoch eine gute Wärmedurchlässigkeit, damit der Wärmestrom aus der elektrisch leitenden Vorrichtung in das Rohr effizient übertragen werden kann, welcher im Rohr dann vom durchströmenden Kühlmittel konvektiv aufgenommen wird. Keramiken haben besonders gute wärmeleitenden Eigenschaften.
Eine Schichtdicke ist je nach Isolationsanforderung aufgebracht und weist einen sehr geringen Wärmedurchlasswiderstand auf, welcher insbesondere durch keramische Verbundwerkstoffe erzielt werden kann. Die Schichtdicke der elektrisch isolierenden Schicht beträgt vorzugsweise 50 - 500 pm. Die Wärmeleitfähigkeit des Materials der elektrisch leitenden Schicht liegt vorzugsweise zwischen 0,5 und 2 W/mK, weiter vorzugsweise bei 1 W/mK.
Weiter vorzugsweise weist die elektrisch leitende Vorrichtung einen elektrisch leitenden Draht auf, welcher auf die elektrisch isolierende Schicht gewickelt ist. Vorzugsweise ist der Draht niederinduktiv kreuzgewickelt, er kann aber auch regulär gewickelt sein, wie dies bei einer Spule der Fall wäre. Die elektrisch leitende Vorrichtung könnte auch durch Siebdruckverfahren aufgebracht werden, wobei entsprechende Pasten aufgebracht und gesintert werden müssten.
Hierdurch wird ermöglicht, dass auch die elektrisch leitende Vorrichtung eine möglichst große Oberfläche aufweist, welche entsprechend gut Wärme an das Rohr abgeben kann, welches die Wärme wiederum aufnimmt und dann konvektiv an ein durchströmendes Kühlmedium weitergibt.
Vorzugsweise ist an beiden Enden der elektrisch leitenden Verbindung eine Verbindungsvorrichtung vorgesehen, über welche die elektrisch leitende Vorrichtung an einem Generator anschließbar ist. Vorzugsweise sind die beiden Verbindungsvorrichtungen, welche an jedem Ende der elektrisch leitenden Vorrichtung vorhanden sind, als Rohrschellen ausgebildet. Dies ist eine besonders einfache Form des Anschlusses eines Generators. Die Rohrschellen können dann einen Verbindungsabschnitt aufweisen, an welchen ein Kabel beispielsweise angelötet oder verschweißt werden kann, wobei jede andere Verbindungstechnik geeignet ist. Vorzugsweise ist die elektrisch leitende Vorrichtung in eine hochtemperaturstabile Schicht eingebettet, welche vorzugsweise aus Zement, Keramik oder einem Verbundwerkstoff besteht. Dies stellt sicher, dass die Schicht bei hohen Temperaturen nicht schmilzt oder Schäden am gesamten Widerstand hervorruft.
Vorzugsweise ist die hochtemperaturstabile Schicht von einem Isoliermantel umgeben, welcher vorzugsweise mindestens ein mechanisch stabilisierendes Element aufweist. Der Isoliermantel soll die Wärmeabgabe an die Umgebung verhindern und sicherstellen, dass nahezu der gesamte Wärmestrom an das Rohr und somit an das Kühlmittel abgegeben wird. Ein mechanisch stabilisierendes Element sorgt dafür, dass der Isoliermantel stabil ist und Beschädigungen vermieden werden. Das mechanisch stabilisierende Element kann beispielsweise ein Glasseidenschlauch sein, welcher über den Isoliermantel gezogen ist.
Ein erfindungsgemäßes System weist mindestens zwei kühlbare Widerstände auf, wobei die kühlbaren Widerstände parallel angeordnet sind, wobei ein erstes Anschlussrohr jeweils mit einem Ende der kühlbaren Widerstände verbunden ist und somit ein Zulaufrohr bildet, und ein zweites Anschlussrohr jeweils mit dem anderen Ende der kühlbaren Widerstände verbunden ist und sozusagen als Ablaufrohr dient. Dadurch wird ein modularer Aufbau ermöglicht, so dass je nach Bedarf mehrere kühlbare Widerstände parallelgeschaltet werden können vorzugsweise auch je nach Betriebsart dynamisch gesteuert. Auch kann so die Leistung des Widerstandes einfach skaliert werden. Die Einzelwiderstände können in Reihe oder parallel geschaltet werden.
Weiter vorzugsweise sind Rohre parallel zum Kühlkreislauf verschaltet sind hydraulisch abgeglichen (abgleichbar über die Blendengröße am E intritt/Austritt des Widerstandsrohres), um eine maximale Kühlmittelspreizung im einzelnen Widerstandsrohr zu ermöglichen. Aufgrund der Querschnittsverengung im kühlbaren Widerstand, welcher insbesondere durch die Kühlrippen hervorgerufen wird, erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit, und der Wärmeübergang wird verbessert. Ein eventuell auftretender partieller Druckanstieg im Rohr und führt zusätzlich zu einer Strömungsvergleichmäßigung zwischen den einzelnen Rohren, so dass auf einen hydraulischen Abgleich sogar gegebenenfalls verzichtet werden kann.
Unerwünschte Wärmeausdehnungen im Rohr können durch geeignete Auswahl von Materialien für die elektrisch leitende Vorrichtung und die elektrisch isolierende Schicht entsprechend ausgesucht werden, so dass sichergestellt wird, dass keine Risse oder ähnliche Beschädigungen auftreten.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen kühlbaren Widerstand in isometrischer Ansicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine isometrische Ansicht einer Anordnung mehrerer kühlbarer Widerstände gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 zeigt eine isometrische Ansicht eines Turbulators.
Fig. 4 zeigt eine isometrische Ansicht eines Rohrs, in dessen Innenseite entsprechend ein Turbulator eingesetzt ist.
In Fig. 1 ist eine Explosionsansicht und isometrische Ansicht eines erfindungsgemäßen kühlbaren Widerstands W gezeigt. Im Innersten dieser Anordnung ist ein entsprechendes Rohr 1 zu sehen, welches im vorliegenden Fall zylindrisch ausgebildet ist. Im Inneren des Rohrs 1 sind mehrere Kühlrippen 2a radial rund um den inneren Umfang des Rohrs 1 angeordnet, die sich nach radial innen erstrecken und zwischen den Kühlrippen 2a entsprechenden Taschen 2b ausbilden. Die Kühlrippen 2a erstrecken sich nicht ganz bis zur Mitte des Rohres 1 , weswegen in der Mitte ein zylindrischer Kanal 2b mit kreisförmigem Durchschnitt verbleibt. Um das Rohr ist eine elektrisch isolierende Schicht 3 angeordnet. Hierauf ist eine hochtemperaturstabile Schicht 5a angeordnet, in welcher die elektrisch leitende Vorrichtung 5 (hier nicht gezeigt) eingebettet ist. Ferner ist eine Verbindungsvorrichtung 4 zu sehen, welche in diesem Fall als Rohrschelle ausgebildet ist. Diese ist mit der elektrisch leitenden Vorrichtung 5 (hier nicht gezeigt) verbunden, und eine Verbindungsvorrichtung 4 ist weiterhin an einem Anschlussabschnitt 10 vorgesehen, mit welchem ein elektrischer Generator verbunden werden kann. Als äußerste Schicht ist ein Isoliermantel 6 aufgebracht, welcher eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist und dafür sorgt, dass der Wärmestrom, welcher von der elektrisch leitenden Vorrichtung generiert wird, in Richtung des Rohrs geleitet wird, wo er dann konvektiv an das Kühlmittel übertragen werden kann. Im Isoliermantel 6 ist mindestens ein mechanisch stabilisierendes Element 11 (hier nicht gezeigt) vorgesehen.
Fig. 2 zeigt eine Verschaltung mehrerer kühlbaren Widerstände W als sogenannter Stack 7. Jeder der Widerstände weist zwei Anschlussabschnitte 10 auf, mit welchen ein entsprechender Generator verbunden werden kann. Insgesamt sind hier fünf Widerstandsbaugruppen W entsprechend parallel verschaltet. Ein erstes Anschlussrohr 8 verbindet eine Seite jedes kühlbaren Widerstands W, und ein zweites Anschlussrohr 9 verbindet jeweils die andere Seite der fünf kühlbaren Widerstände W. So kann sich eine konstante Durchströmung aller kühlbaren Widerstände W einstellen. Die Position des erstes Anschlussrohrs 8 und zweiten Anschlussrohrs 9 ist grundsätzlich frei wählbar.
Fig. 3 zeigt einen Turbulator 12, welcher als spiral- bzw. helixförmig verdrilltes Blech ausgestaltet ist. Dieser Turbulator 12 dient dazu, wenn er axial angeströmt wird, die Strömung entsprechend zu verwirbeln, so dass nicht nur eine axiale Strömungskomponente, sondern auch eine radiale bzw. verwirbelnde oder drehende Strömungskomponente vorhanden ist. Je nach Leistungsanforderung könnte der Turbulator auch als einfacher Stab ausgeführt sein.
Fig. 4 zeigt eine Anordnung des Turbulators 12 innerhalb des Rohrs 1 . Rund um den Kanal 2b sind mehrere Kühlrippen 2a angeordnet, und zwischen den Kühlrippen 2a werden dadurch mehrere Taschen 2c ausgebildet. Der Turbulator ist hier im Kanal 2b vorgesehen, kann aber auch in die Taschen 2 c hineinragen. Der Turbulator 12 dient dazu, eine turbulente Strömung zu erzeugen, welche für den konvektiven Wärmeüberganz zwischen Rohr 1 und durchströmendem Kühlmittel vorteilhafter ist als eine laminare Strömung.
Die vorliegende Anmeldung ist nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt. Das Rohr 1 muss keinen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, dieser könnte beispielsweise auch elliptisch, quadratisch, rechteckig oder polygonal sein.
Ferner sind statt der Kühlrippen auch andere Einbauten in das Rohr möglich, welche eine andere Form aufweisen können, beispielsweise Stäbe, Drähte oder sonstige Vorrichtungen.
BEZUGSZEICHENLISTE
W kühlbarer Widerstand
1 Rohr 2a Kühlrippe
2b Kanal
2c Tasche
3 elektrisch isolierende Schicht
4 Verbindungsvorrichtung / Schelle 5 elektrisch leitende Vorrichtung / Draht
5a hochtemperaturstabile Schicht
6 Isoliermantel
7 Stack
8 erstes Anschlussrohr 9 zweites Anschlussrohr
10 Anschlussabschnitt
11 mechanisch stabilisierendes Element
12 Turbulator

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Kühlbarer Widerstand (W), umfassend: ein Rohr (1 ), eine elektrisch leitende Vorrichtung (5), welche sich entlang des Rohrs (1 ) erstreckt, und wobei im Rohr (1 ) ein Turbulator (12) vorgesehen ist, welcher dazu angepasst ist, eine turbulente Strömung zu erzeugen.
2. Kühlbarer Widerstand (W) gemäß Anspruch 1 , wobei an der Innenseite des Rohrs (1 ) mindestens eine Kühlrippe (2) angebracht ist.
3. Kühlbarer Widerstand (W) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei im Inneren des Rohrs (1 ) ein Kanal (2b) vorgesehen ist, und um den Kanal radial mehrere Taschen (2c) vorgesehen sind, welche durch mindestens eine Kühlrippe (2) begrenzt werden, und wobei der Turbulator (12) vorzugsweise im Kanal (2b) vorgesehen ist. Kühlbarer Widerstand (W) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Turbulator (12) spiral- oder helixförmig oder als Vollstab ausgebildet ist.
5. Kühlbarer Widerstand (W) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Rohr (1 ) aus Aluminium oder einer aluminiumhaltigen Legierung besteht.
6. Kühlbarer Widerstand (W) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der äußerer Oberfläche des Rohrs (1 ) und der elektrisch leitenden Vorrichtung (5) eine elektrisch isolierende Schicht (3) aufgebracht ist, und wobei die elektrisch isolierende Schicht (3) vorzugsweise aus Keramik, gesinterter Keramikpaste oder einem keramischen Verbundwerkstoff besteht, und die elektrisch isolierende Schicht (3) weiter vorzugsweise eine Dicke zwischen 50 und 500 pm und/oder eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 0,5 und 2 W/mK aufweist.
7. Kühlbarer Widerstand (W) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrisch leitende Vorrichtung (5) einen elektrisch leitenden Draht aufweist, welcher auf die elektrisch isolierende Schicht (3) gewickelt, vorzugsweise niederinduktiv kreuzgewickelt ist. Kühlbarer Widerstand (W) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die elektrisch leitende Vorrichtung (5) eine gesinterte Paste aufweist, welche vorzugsweise durch ein Siebdruckverfahren aufgebracht ist. Kühlbarer Widerstand (W) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an beiden Enden der elektrisch leitenden Vorrichtung (5) eine Verbindungsvorrichtung (4) vorgesehen ist, über welche die elektrisch leitende Vorrichtung (5) an einen Generator anschließbar ist, wobei die Verbindungsvorrichtungen (4) vorzugsweise als Rohrschellen mit jeweiligem Anschlussabschnitt 10 ausgebildet sind. Kühlbarer Widerstand (W) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrisch leitende Vorrichtung (5) in eine hochtemperaturstabile Schicht (5a) eingebettet ist, welche vorzugsweise aus Zement, Keramik oder einem Verbundwerkstoff besteht. Kühlbarer Widerstand (W) gemäß Anspruch 10, wobei die hochtemperaturstabile Schicht (5a) von einem Isoliermantel (6) umgeben ist, welcher vorzugsweise mindestens ein mechanisch stabilisierendes Element (11 ) aufweist. System aus mindestens zwei kühlbaren Widerständen (W) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die kühlbaren Widerstände (W) parallel angeordnet sind, wobei ein erstes Anschlussrohr (8) jeweils mit einem Ende der kühlbaren Widerstände (W) verbunden ist, und ein zweites Anschlussrohr (9) jeweils mit dem anderen Ende der kühlbaren Widerstände (W) verbunden ist.
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