WO2022184629A1 - Materialschonend aufgebauter flüssigkeitsgekühlter bremswiderstand mit erhöhter effizienz - Google Patents

Materialschonend aufgebauter flüssigkeitsgekühlter bremswiderstand mit erhöhter effizienz Download PDF

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WO2022184629A1
WO2022184629A1 PCT/EP2022/054962 EP2022054962W WO2022184629A1 WO 2022184629 A1 WO2022184629 A1 WO 2022184629A1 EP 2022054962 W EP2022054962 W EP 2022054962W WO 2022184629 A1 WO2022184629 A1 WO 2022184629A1
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heat exchange
flow path
shaped
beads
electrically conductive
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PCT/EP2022/054962
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Stephan HAAK
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Heine Resistors Gmbh
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    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
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    • H05B3/26—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible heating conductor mounted on insulating base
    • H05B3/262—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible heating conductor mounted on insulating base the insulating base being an insulated metal plate
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    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/037—Heaters with zones of different power density

Definitions

  • the present invention relates to a system for transferring thermal energy to a liquid medium. This is used, for example, as a liquid-cooled braking resistor.
  • Such 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 i.e. the actual electrical resistance
  • the cooling medium then has no direct contact with the resistance, but is routed through appropriate holes in the aluminum housing, where it absorbs heat and thereby cools the resistance.
  • Tubular heaters can also be used in a closed container that is cooled accordingly.
  • liquid-cooled braking resistors are possible in a modular design, and the actual resistor, ie the active element, can be embedded in a flow channel within a 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 2592633 A1 discloses a liquid-cooled braking resistor which has a block, a liquid inlet, a liquid outlet and a fluid chamber.
  • the flea room has an open side closed by a thermally conductive but electrically insulating flat sheet.
  • This flat layer supports a flat resistor, the flat planes are aligned parallel to each other.
  • the flea space is provided with a liquid flow path between the liquid inlet and the liquid outlet, and the flea space accommodates resiliently pressing means designed to press the flat sheet against the resistance.
  • 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. However, such a course of flow causes a high pressure loss, which is further increased by the elastic elements.
  • a shaped sheet according to the invention has the following features: a first side, which is coated with an electrically insulating layer and an electrically conductive device is applied to the electrically insulating layer or is embedded in it, and a second side. This serves the flow through
  • An inlet opening and an outlet opening are provided in the shaped sheet.
  • a first bead is provided on the edge of the first side of the shaped sheet, which is preferably open on at least one side.
  • third beads are provided on the first side, each of which surrounds the inlet opening and the outlet opening. All surrounds have the same flea profile and are planar to each other.
  • Beads are channel-shaped indentations or embossings, which in the present case are used to tightly connect two shaped sheets.
  • the electrically insulating layer which is applied between the shaped sheet and the electrically conductive device, ensures that no electric current flows into the metallic shaped sheet. At the same time, the electrically insulating layer has very good thermal conductivity, so that the heat flow generated by the electrically conductive device can effectively reach the shaped sheet and its second Page can be passed on convectively to the coolant.
  • the electrically insulating layer is preferably made of ceramic, sintered ceramic paste or a ceramic composite material and can be applied by thermally spraying ceramic, sintering ceramic paste or similar insulating materials. The materials used are designed in such a way in terms of their material properties that thermal stresses do not lead to the formation of cracks.
  • the layer thickness is dimensioned depending on the insulation requirement and has a very low thermal resistance, which can be achieved in particular with 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 preferably includes a conductor applied by the screen printing process.
  • the shaped sheet which is constructed as a plate with an embossed contour, combines the heat source (electrically conductive device) on the first side and the heat sink (coolant flow) on the second side.
  • the compact design enables a large heat transfer surface with a short heat conduction path, which ensures optimal heat dissipation to the coolant and thus increases the heat transfer efficiency.
  • the shaped sheet is preferably rectangular and therefore easy to manufacture.
  • the first bead preferably protrudes from the first side of the shaped sheet, more preferably at an angle (that is, it assumes an acute angle with the normal vector of the first side of the shaped sheet). This makes it easier to connect other shaped sheets that have the same structure - if the first sides of two shaped sheets are opposite, two first beads are also opposite and can thus be easily connected to one another - this also creates a sufficiently large cavity between the two first sides of two shaped sheets, which means that enough There is space and clearance for two electrically conductive devices - one on the first side of each mold sheet.
  • a second bead is preferably provided on the edge of the second side of the shaped sheet metal, which is used for the flow of coolant, which further preferably preferably surrounds the shaped sheet metal. This is used to connect to a second side of another shaped sheet.
  • At least a fourth bead is provided, which divides the second side of the shaped sheet and thus enables a U-shaped flow path. If the second sides of two shaped sheets face each other and both fourth beads are connected to each other, the longest possible flow path for the coolant can be defined with the help of the fourth beads.
  • the shaped sheet metal is preferably made of stainless steel. This material is corrosion-resistant, has good thermal conductivity and is easy to process.
  • At least two contacting surfaces are provided on the first side of the shaped sheet, which are electrically conductively connected to one end of the electrically conductive device.
  • a connection element can be connected to each of these contacting surfaces.
  • a clearance (a type of recess or depression) is provided on an edge of the first side of the shaped sheet, which adjoins the at least two contacting surfaces. This clearance is configured to provide sufficient space for the provision of connectors (for electrical connections) or other connectors.
  • a coolable electrical resistor according to the invention comprises at least two shaped sheets according to the invention—this is, so to speak, the smallest unit of a coolable resistor.
  • the combination of exactly two shaped sheets to form a coolable electrical resistor is also referred to below as a pair of shaped sheets.
  • first sides of two shaped sheets are arranged opposite one another.
  • first beads which are then preferably arranged on three peripheral sides of the shaped sheets
  • third beads connected to each other.
  • connection of the respective first beads creates a cavity between the first two sides of the two shaped sheets, and both shaped sheets are firmly and tightly connected to one another at least on three sides at the edge (if the shaped sheets are rectangular). Furthermore, the third beads, which respectively surround the inlet opening and outlet opening of the shaped sheets, are also connected to one another. This means that there is no cavity in the area of the inlet openings and outlet openings, but instead a common inlet opening and outlet opening is present and no liquid can penetrate through these into the cavity.
  • the flea space ie the cavity between the respective first sides of two shaped metal sheets, is preferably at least partially filled with a filler, the filler even more preferably containing silicone. Filling the cavity with a filler, primarily silicone, serves to ensure pressure stability and homogeneous temperature distribution.
  • a side on which there is no first bead on the shaped metal sheets can also be sealed.
  • respective second sides of two shaped sheets are also arranged opposite one another, and both shaped sheets are connected to one another by the respective second beads.
  • This also creates a cavity here between the respective second sides of two shaped sheets, the edges being sealed by the connection of the respective second beads.
  • the cavity between the respective second sides of two shaped sheets is used for coolant to flow through.
  • the fourth beads are also connected to one another, and a flow path is thus defined between the respective second sides of the two shaped sheets, which flow path is adapted so that a coolant can flow from the inlet opening to the outlet opening.
  • a U-shaped flow path is generally preferred here and is also necessary in the preferred embodiment described here in order to obtain no direct connection between the inlet and outlet openings. In principle, however, the position of the inlet opening and the outlet opening can be chosen arbitrarily.
  • the fourth bead 6 is only used to guide the flow in the case of adjacent inlet and outlet openings 13, 12. In the case of opposite openings, the fourth bead 6 would not be necessary or would at most contribute to smoothing the flow.
  • a pair of shaped sheets of a coolable resistor according to the invention thus comprises two shaped sheets, insulation and an electrically conductive device for each shaped sheet, which is located between two shaped sheets and two electrical connection elements that electrically connect the electrically conductive device in parallel.
  • the two shaped sheets preferably in an identical design, are combined with one another in such a way that the first sides, ie the resistance sides, are aligned with one another and form a cavity.
  • the electrical conductor can also be introduced as a meandering, thin, metallic plate, which is inserted into the cavity of the pair of shaped sheets through an insulating encapsulation, primarily with silicone.
  • the outer sides of the pair of shaped sheets ie the respective second sides of the shaped sheets, represent the heat sink and are designed in such a way that a further cavity is created when at least two pairs of shaped sheets are lined up.
  • the cavity is constructed in such a way that the coolant flows at a high flow rate past the second side of the shaped plates, creating a high degree of turbulence which ensures that heat is transferred to the coolant.
  • pairs of shaped sheets which have electrically conductive devices in the inner cavity and around which coolant flows on the second side of the shaped sheets forming the pair of shaped sheets (i.e. on both sides), ensures a large heat transfer surface with simultaneously high pressure stability.
  • the small distance between the second sides of two shaped sheets in particular (or a shaped sheet to an edge of a flow space) leads to sufficiently high distances Flow velocities that ensure a sufficiently high degree of turbulence for heat transfer from the shaped plate or pair of shaped plates to the coolant.
  • a simple scaling of the performance class is possible by scaling the number of pairs of shaped plates and enables a modular design, depending on the performance requirement.
  • the first, second, third and/or fourth beads of two shaped sheets are preferably connected to one another by a joint, preferably a laser weld seam.
  • a joint preferably a laser weld seam.
  • Such joining methods are easy to implement and inexpensive. Flanging or resistance roll welding is also possible.
  • any number of shaped plates (two shaped plates each form a pair of shaped plates here) are connected to one another, even more preferably arranged in parallel.
  • the pairs of shaped sheets can thus be stacked.
  • An end plate is preferably provided as the outer boundary, with a second side of the uppermost shaped plate being connected to a first end plate and forming a flow channel with it, and with a second side of the lowermost shaped plate being connected to a second end plate and also forming a flow channel with it trains.
  • An inlet connector and/or an outlet connector are preferably provided either on the first end plate or on the second end plate.
  • one of the two sockets can also be provided on the first end plate and the other socket on the second end plate.
  • inlet connectors and/or outlet connectors could also be arranged arbitrarily if the shaped plate follows the condition of axial symmetry and the inlet connectors and/or outlet connectors lie parallel to the normal vector of the shaped plate side.
  • the inlet port is in fluid communication with all inlet openings of all pairs of shaped plates and thus also with the shaped plates
  • the outlet connection is in fluid communication with all outlet openings of all pairs of shaped plates and thus also with the shaped plates.
  • the flow between the stacks is directed into the individual gaps between pairs of shaped sheets, where one or more deflections lead the flow to the opposite collection area.
  • respective contact surfaces of two opposite first sides of two shaped sheets are each connected in a coolable resistor to a connection element, which preferably protrudes over the shaped sheets or the pair of shaped sheets.
  • connection elements are arranged on the opposite side of the inlet opening and outlet opening - for example, inlet opening and outlet opening arranged on one short side of a rectangle, the connection elements on the other short side.
  • an electrical interface such as e.g. a plug with at least one contact element is preferably provided - but there must be as many contact elements as there are connection elements - usually two per coolable resistor (positive pole and negative pole - with phase current, however, more than two connection elements can also be provided).
  • the position of the connection elements can be varied in such a way that the connection of a multi-phase system is made possible in the assembled state, with the connection elements for each phase not lying directly one above the other.
  • connection elements are adapted to each be connected to a contact element of the electrical interface or of the plug, wherein a contact element further preferably has resilient clips.
  • Fig. 1 shows a first side of a shaped sheet with printed insulation and electrically conductive device.
  • Fig. 2 shows a shaped sheet with the second side (coolant side) up.
  • FIG 3a shows a top view of a coolable resistor (pair of shaped sheets) composed of two shaped sheets according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3b shows three detailed cross-sectional views of the coolable resistor according to the invention.
  • Fig. 4 shows a coolable resistor according to the invention in isometric
  • Fig. 5 shows a coolable resistor (system of several
  • Fig. 6 shows the system in a sectional view and in detail of the
  • Fig. 7 shows a coolable resistor (system of several
  • FIG. 1 shows a first side FE, the resistance side, of a shaped metal sheet F in an isometric representation.
  • the shaped sheet F is surrounded on three sides by a first bead 1 which protrudes obliquely upwards from the shaped sheet F.
  • Beads are channel-shaped indentations or elevations in a metal sheet.
  • Two openings 12, 13 are provided in the shaped sheet F, here an outlet opening 12 and an inlet opening 13. These are each surrounded by a third bead 5, which also protrudes upwards from the shaped sheet F in each case.
  • the first bead 1 and the third beads 5 are designed in such a way that they form a plane and create a cavity in conjunction with another shaped sheet and its corresponding first and third beads (not shown here).
  • an electrically insulating layer 2 is arranged in the interior of the first side FE of the shaped sheet F.
  • the electrically conductive device 4 is arranged upstream in a meandering manner. Furthermore, two contacting surfaces 3a, 3b are provided, which are each connected to one end of the electrically conductive device 4.
  • a clearance 8 is provided at the end of the shaped sheet metal F facing away from the outlet opening 12 and inlet opening 13, on which no first bead 1 is provided.
  • connection elements (not shown here) can be arranged in this. 2 shows a second side FZ of the shaped sheet metal, the coolant side, in an isometric representation.
  • Second beads 7 stand on four sides of the shaped sheet F on the second side FZ and therefore extend in the opposite direction to the first bead 1.
  • a fifth bead 9, which is wider, is provided on a short side of the shaped sheet F as the second beads 7 - this is the back of the franking 8 on the first page FE.
  • a fourth bead 6 is arranged parallel to the first bead in the middle between the two long sides FZ of the shaped sheet F, which however does not extend over the entire length of the shaped sheet F.
  • the second bead 7 and the fourth bead 6 are of the same height, so that they form one level.
  • the fifth bead 9 is slightly offset in order to ensure a cavity for cooling the connection area.
  • a circumferential contour is formed by the second beads 7, which closes off a cavity when a further shaped sheet (not shown here) is arranged, and thus defines the coolant region.
  • the fourth bead 6 serves to guide the flow between the inlet and outlet 13, 12.
  • a coolable resistor W according to the invention consisting of two shaped sheets F, F' (hereinafter also referred to as shaped sheet pair), is shown in a top view - you can see the second side FZ of one shaped sheet F (the one connected to shaped sheet F another shaped sheet F' is not visible here).
  • the first beads 1, 1' of the shaped sheets F, F' are connected by a cohesive method, for example lasers, gluing, resistance welding or the like, so that a cavity is created (not visible in this figure).
  • the second bead 7 (for connecting to further pairs of shaped sheets and for terminating the coolant) is again visible on the upper side of the second side FZ of the shaped sheet F.
  • the fourth bead 6 is used to guide the flow between the inlet and outlet 13, 12.
  • the fifth bead 9 can be seen on the right-hand edge of the shaped sheet F.
  • the second bead 7 serves to connect to a second side of a further shaped sheet F" (not shown here).
  • a first and second connection element 10a, 10b protrude over the coolable resistor W, which are preferably made of copper or another highly conductive material here on the side of the shaped sheet F facing away from the inlet 13 and outlet 12.
  • FIG. 3b shows detailed cross-sectional views of the coolable resistor W according to the invention from FIG. 3a.
  • the bottom view represents a cross section A-A (position shown in FIG. 3a). It can be seen from the figure that two shaped sheets F, F' are connected to one another at their respective first beads 1, 1'. A first connection element 10a protrudes beyond the resistor W that can be cooled at the right-hand end.
  • the top view shows more details of the right border area. It can be seen here that two first contacting surfaces 3a, 3a', which are each arranged on the inner side of two shaped sheets F, F', are both electrically conductively connected to a first connection element 10a - the corresponding cavity between the two shaped sheets F, F' is in turn filled with a filler 11 .
  • Fig. 4 the coolable resistor W is shown in an isometric partial sectional view.
  • an embodiment as a pair of shaped plates with a shaped plate as a resistance carrier and a shaped plate for coolant separation is possible.
  • the two shaped sheets F, F' here form a coolable electrical resistance W.
  • the second side of the shaped sheet F' is shown from above, i.e. the side along which coolant is to flow - this flows from the inlet 13 to the outlet 12, it is directed at the edge through the second bead 7 and the fourth bead 6, which Flow guidance is used. It can also be seen that the two shaped sheets F, F' enclose an inner cavity - this is filled with a filler 11 on the right-hand edge - the first connection element 10a is embedded in this filler and is also correspondingly filled by the filler compared to the two shaped sheets F, F ' isolated.
  • FIG. 5 several pairs of shaped sheets W (here only the uppermost visible) are shown in plan view.
  • the inlet connection 14 and the outlet connection 15 are shown, which are mounted on the inlet 13 and outlet 12 (not shown here).
  • the fourth bead 6, which, however, is located within the first pair of shaped sheets, is indicated with dashed lines.
  • the coolant flows within all coolable resistors arranged one above the other from the inlet connector 14 to the outlet connector 15 and is distributed in these depending on the number of coolable resistors arranged one above the other.
  • a plug 20 is arranged on the right-hand edge, which is used for the electrical connection.
  • Fig. 6 is the sectional view of an exemplary system along the line B-B in Fig.
  • coolable electric resistors (pair of shaped sheets) W, W, .
  • the inlet connector 14 is attached to an upper closing plate 17 .
  • the coolant reaches the individual coolable electrical resistors W, W .
  • the inlet opening 13 and outlet opening 12 (not shown here) of the individual coolable resistors W, W, . form internal collectors, so to speak, which are then in fluid communication with the inlet connection 14 and the outlet connection 15 . This enables the hydraulic parallel connection of the individual coolable resistors
  • a lower end plate 16 and the upper end plate 17 are at the respective beginning and end of the lined-up coolable electrical resistors W, W, ..., ie Shaped sheet pairs, arranged.
  • the lower end plate 16 and the upper end plate 17 are designed to be sufficiently stiff to withstand the systemic compressive stress.
  • the lower closing plate 16 can be used to fasten the entire system and, in addition to the upper closing plate 17, forms the fastening of the front plate 18 on the right-hand edge, to which a protective cap 19 is fastened.
  • the plug 20 which includes contact elements 21 , is fastened in the protective cap 19 .
  • a contact element 21 is constructed in such a way that it can accommodate resilient clips 22 made of material with good electrical conductivity.
  • the clamps 22 are constructed slightly undersized and stretch slightly when the contact elements 10b are pushed in. The internal stress on the contact element 21 in the area of the clamps 22 is very low and requires a reinforced material arrangement only at the edge.
  • the top left detailed view indicates how coolant enters through the inlet port 14 and flows between the top coolable resistor W and the top end plate 17 and between the top and second-top coolable resistors W, W.
  • the overall system is arranged in an isometric representation in FIG. 7 and illustrates the compact design of a braking resistor with an integrated connector plug 20.
  • the inlet connection 14 and the outlet connection 15 for the coolant are also arranged on the upper closing plate 17 .
  • Optional sensors for monitoring the coolant temperature can be attached to the connection piece (not shown here).
  • the front panel 18 is attached at the front and is covered by the protective cap 19 .
  • the plug 20 can be attached to the protective cap 19 .
  • the present invention is not limited to the embodiment described above.
  • the inlet and outlet ports 14 and 15 can take on different geometric shapes, as can inlet 13 and outlet 12.
  • the coolable resistors W or shaped sheets F are preferably rectangular, but can also have other geometric shapes, such as round, oval, polygonal—depending on the space available.
  • the present invention relates to a shaped sheet F and a liquid-cooled resistor which is constructed from a plurality of shaped sheets F, F', . . . Fn .
  • the shaped metal sheets F have a first side FE, which is coated with an electrically insulating layer 2, an electrically conductive device 4 being applied to or embedded in the electrically insulating layer 2, and a second side FZ, on which coolant can flow is.
  • a coolable resistor is created which is very compact, space-saving and scalable.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit einem Wärmetauschvorrichtung (F), in der durch eine elektrisch leitende Vorrichtung (4) Wärme erzeugt wird, welche von einem Kühlmedium durch Konvektion wegtransportiert wird. Hierbei wird durch Variation des ohmschen Widerstandes der elektrisch leitenden Vorrichtung (4) erzielt, dass an der Position, an welcher das Kühlmedium am kältesten ist, mehr Wärme übertragen wird als an der Position, an welcher das Kühlmedium am wärmsten ist. Dies sorgt für eine homogene Temperaturverteilung in der Wärmetauschvorrichtung und der Vermeidung von Temperaturspitzen.

Description

BESCHREIBUNG
Flüssigkeitsgekühlter Bremswiderstand in Plattenwärmetauscher-Bauweise
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zur Übertragung von Wärmeenergie an ein flüssiges Medium. Anwendung findet dieses beispielsweise als flüssigkeitsgekühlter Bremswiderstand.
Im Bereich der Antriebstechnik kann überschüssige Bremsenergie in Bremswiderständen umgesetzt werden - kinetische Energie wird also beispielsweise von einer generatorischen Bremse wie zum Beispiel die Antriebmaschine im Rekuperationsmodus, in elektrische Energie umgewandelt, und diese wird, wenn sie nicht anderweitig verwendet werden kann, 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.
Sie dienen dazu, überschüssige elektrische Energie umzusetzen, wenn diese nicht anderweitig gespeichert werden kann - beispielsweise dann, wenn ein Akkumulator, welcher Strom für den Elektromotor liefert, voll geladen ist, aber das Fahrzeug trotzdem über eine generatorische Bremse gebremst werden muss. Aus dem Stand der Technik sind viele luftgekühlte Bremswiderstände bekannt. Diese erfordern allerdings ein entsprechendes Belüftungssystem zur Abkühlung und daher einen 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 entsprechende Bohrungen im Aluminiumgehäuse geführt, wo es Wärme aufnimmt und dadurch den Widerstand abkühlt. Auch können Rohrheizkörper in einen geschlossenen Behälter eingesetzt werden, der entsprechend gekühlt wird.
Ferner sind flüssigkeitsgekühlte Bremswiderstände in modularer Bauweise möglich, und der eigentliche Widerstand, also das Aktivelement, kann in einem Strömungskanal innerhalb eines 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 2592633 A1 ist ein flüssigkeitsgekühlter Bremswiderstand offenbart, weicher einen Block, einen Flüssigkeitseinlass, einen Flüssigkeitsauslass und einen Flohlraum aufweist. Der Flohlraum 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 Flauptebenen sind parallel zueinander ausgerichtet. Der Flohlraum ist mit einem Flüssigkeitsströmungsweg zwischen dem Flüssigkeitseinlass und dem Flüssigkeitsauslass versehen, und im Flohlraum 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.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein flüssigkeitsgekühltes System zur Übertragung von Wärmenergie bereitzustellen, welches einen minimalen Raumbedarf und Skalierbarkeit aufweist. Trotzdem sollen eine hohe Wärmeübertragungsfläche, ein geringer interner Druckverlust, eine hohe Spannungsfestigkeit und eine verbesserte Wärmeübertragungseffizienz realisiert werden.
Diese Aufgabe wird gelöst von einem Formblech gemäß Anspruch 1 und einem kühlbaren Widerstand gemäß Anspruch 4. Weitere bevorzugte Ausgestaltungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßes Formblech weist folgende Merkmale auf: eine erste Seite, welche mit einer elektrisch isolierenden Schicht beschichtet ist und auf der elektrisch isolierenden Schicht eine elektrisch leitende Vorrichtung aufgebracht ist oder in diese eingebettet ist, sowie eine zweite Seite. Diese dient der Anströmung durch
Kühlmittel.
Im Formblech sind eine Einlassöffnung sowie eine Auslassöffnung vorgesehen.
Am Rand der ersten Seite des Formblechs ist eine erste Sicke vorgesehen, die vorzugsweise mindestens an einer Seite offen ist.
Ferner sind auf der ersten Seite dritte Sicken vorgesehen, welche jeweils die Einlassöffnung und die Auslassöffnung umgeben. Alle Sicken, haben das gleiche Flöhenprofil und sind zueinander planar.
Sicken sind rinnenförmige Vertiefungen bzw. Verprägungen, die im vorliegenden Fall der dichten Verbindung zweier Formbleche dienen.
Die elektrisch isolierende Schicht, welche zwischen Formblech und der elektrisch leitenden Vorrichtung aufgebracht ist, sorgt dafür, dass kein elektrischer Strom in das metallische Formblech 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 Formblech und von dessen zweiter Seite aus konvektiv an das Kühlmittel weitergegeben werden kann. Vorzugsweise ist die elektrisch isolierende Schicht aus Keramik, gesinterter Keramikpaste oder einem keramischen Verbundwerkstoff ausgebildet und kann durch thermisches Spritzen von Keramik, das Sintern von Keramikpasten oder ähnlichen Isoliermaterialien aufgebracht werden. Die verwendeten Materialien sind so in ihrer Materialeigenschaft ausgelegt, dass thermische Spannungen zu keiner Rissbildung führen.
Die Schichtdicke ist je nach Isolationsanforderung dimensioniert 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.
Die elektrisch leitende Vorrichtung weist vorzugsweise einen durch das Siebdruckverfahren aufgebrachten Leiter auf.
Das Formblech, das als Platte mit Prägekontur aufgebaut ist, kombiniert auf der ersten Seite die Wärmequelle (elektrisch leitende Vorrichtung) und auf der zweiten Seite die Wärmesenke (Kühlmittelanströmung). Der kompakte Aufbau ermöglicht eine hohe Wärmeübertragungsfläche bei gleichzeitig geringer Wärmeleitstrecke, die für eine optimale Wärmeabfuhr an das Kühlmittel sorgt und somit die Wärmeübertragungseffizient erhöht.
Das Formblech ist vorzugsweise rechteckig ausgebildet und somit einfach zu fertigen.
Vorzugsweise steht die erste Sicke von der ersten Seite des Formblechs ab, weiter vorzugsweise schräg (nimmt also einen spitzen Winkel mit dem Normalenvektor der ersten Seite des Formblechs ein). Dies erleichtert die Verbindbarkeit mit weiteren Formblechen, welche gleich aufgebaut sind - wenn erste Seiten zweier Formbleche gegenüberliegen, liegen auch zwei erste Sicken gegenüber und können so leicht miteinander verbunden werden - ferner entsteht dadurch eine ausreichend große Kavität zwischen zwei ersten Seiten zweier Formbleche, wodurch genug Platz und Abstand für zwei elektrisch leitende Vorrichtungen vorhanden ist - eine auf der ersten Seite jedes Formblechs. Vorzugsweise ist am Rand der zweiten Seite des Formblechs, welche der Anströmung durch Kühlmittel dient, eine zweite Sicke vorgesehen, welche weiter vorzugsweise vorzugsweise das Formblech umgibt. Diese dient der Verbindung mit einer zweiten Seite eines weiteren Formblechs.
Weiter vorzugsweise ist mindestens eine vierte Sicke vorgesehen welche die zweite Seite des Formblechs unterteilt und so einen U-förmigen Störmungsweg ermöglicht. Wenn die zweiten Seiten zweier Formbleche sich gegenüberliegen und beide vierten Sicken miteinander verbunden werden, ist mithilfe der vierten Sicken ein möglichst langer Strömungsweg für das Kühlmittel definierbar.
Vorzugsweise ist das Formblech aus Edelstahl ausgebildet. Dieser Werkstoff ist korrosionsbeständig, besitzt eine gute Wärmeleitfähigkeit und ist einfach zu verarbeiten.
Vorzugsweise sind auf der ersten Seite des Formblechs mindestens zwei Kontaktierflächen vorgesehen, welche elektrisch leitend mit jeweils einem Ende der elektrisch leitenden Vorrichtung verbunden sind. An jede dieser Kontaktierflächen ist ein Anschlusselement anschließbar.
Weiter vorzugsweise ist an einem Rand der ersten Seite des Formblechs eine Freimachung (eine Art Aussparung bzw. Vertiefung) vorgesehen, welche an die mindestens zwei Kontaktierflächen angrenzt. Diese Freimachung ist so konfiguriert, dass sie ausreichend Raum für das Vorsehen von Anschlusselement (für elektrische Anschlüsse) oder anderen Verbindungselementen zur Verfügung stellt.
Ein erfindungsgemäßer kühlbarer elektrischer Widerstand umfasst mindestens zwei erfindungsgemäße Formbleche - dies ist sozusagen die kleinste Einheit eines kühlbaren Widerstands. Die Kombination von genau zwei Formblechen zu einem kühlbaren elektrischen Widerstand wird im Folgenden auch als Formblechpaar bezeichnet.
Die jeweiligen ersten Seiten zweier Formbleche sind gegenüberliegend voneinander angeordnet. Im Falle einer rechteckigen Form beider Formbleche sind an den jeweils ersten Sicken (welche dann vorzugsweise an drei Umfangsseiten der Formbleche angeordnet sind) sowie dritten Sicken miteinander verbunden.
Durch die Verbindung der jeweils ersten Sicken entsteht zwischen den beiden ersten Seiten der beiden Formbleche eine Kavität, und beide Formbleche sind zumindest an drei Seiten am Rand (wenn die Formbleche rechteckig sind) fest und dicht miteinander verbunden. Ferner sind die dritten Sicken, welche jeweils die Einlassöffnung und Auslassöffnung der Formbleche umgeben, ebenfalls miteinander verbunden. Dies führt dazu, dass im Bereich der Einlassöffnungen und Auslassöffnungen keine Kavität vorhanden ist, sondern dass vielmehr eine gemeinsame Einlassöffnung und Auslassöffnung vorhanden ist, und durch diese keine Flüssigkeit in die Kavität eindringen kann.
Ferner ist weiter vorzugsweise der Flohlraum, also die Kavität zwischen den jeweiligen ersten Seiten zweier Formbleche, zumindest teilweise mit einem Füllstoff gefüllt, wobei der Füllstoff noch weiter vorzugsweise Silikon enthält. Das Ausfüllen der Kavität durch einen Füllstoff, vornehmlich Silikon, dient dazu, die Druckstabilität und die homogene Temperaturverteilung zu gewährleisten.
Somit ist auch eine Seite, an welcher keine erste Sicke an den Formblechen vorhanden ist, abdichtbar.
Vorzugsweise sind auch jeweilige zweite Seiten zweier Formbleche gegenüberliegend zueinander angeordnet, und beide Formbleche sind durch die jeweiligen zweiten Sicken miteinander verbunden. Dadurch entsteht auch hier eine Kavität zwischen den jeweiligen zweiten Seiten zweier Formbleche, wobei die Ränder durch die Verbindung der jeweiligen zweiten Sicken abgedichtet sind. Die Kavität zwischen den jeweiligen zweiten Seiten zweier Formbleche dient der Durchströmung mit Kühlmittel.
Weiter vorzugsweise sind auch die vierten Sicken miteinander verbunden, und somit ist ein zwischen den jeweiligen zweiten Seiten der beiden Formbleche ein Strömungsweg definiert, welcher dazu angepasst ist, dass ein Kühlmittel von der Einlassöffnung zu der Auslassöffnung strömen kann. Ein U-förmiger Strömungsweg ist hierbei generell bevorzugt und in der hier beschriebenen vorzugsweisen Ausführungsform auch notwendig, um keine direkte Verbindung zwischen den Einlass und Auslassöffnungen zu erhalten. Die Position von Einlassöffnung und Auslassöffnung kann aber grundsätzlich beliebig gewählt werden.
Die vierte Sicke 6 dient nur der Strömungsführung im Fall von nebeneinanderliegenden Einlass- und Auslassöffnungen 13, 12. Im Falle von gegenüberliegenden Öffnungen wäre die vierte Sicke 6 nicht erforderlich oder würde höchstens zur Vergleichmäßigung der Strömung beitragen.
Ein Formblechpaar eines erfindungsgemäßen kühlbaren Widerstands umfasst also zwei Formbleche, eine Isolierung sowie eine elektrisch leitende Vorrichtung je Formblech, welche sich zwischen zwei Formblechen befindet und zwei elektrische Anschlusselemente, die die elektrisch leitende Vorrichtung elektrisch parallel verbinden. Dabei sind die beiden Formbleche, vorzugsweise in identischer Ausführung, so miteinander kombiniert, dass die ersten Seiten, also die Widerstandsseiten, zueinander ausgerichtet sind und eine Kavität bilden.
Bei Anwendungen mit höherer Isolationsanforderung kann der elektrische Leiter auch als mäanderförmige, dünne, metallische Platte eingebracht werden, die durch eine isolierende Kapselung, vornehmlich mit Silikon, in die Kavität des Formblechpaars eingesetzt wird.
Die Außenseiten des Formblechpaars, also die jeweiligen zweiten Seiten der Formbleche, stellen die Wärmesenke dar und sind so ausgeführt, dass eine weitere Kavität bei Aufreihung von mindestens zwei Formblechpaaren entsteht. Die Kavität ist so aufgebaut, dass das Kühlmittel mit hoher Strömungsgeschwindigkeit an der zweiten Seiten der Formbleche vorbei strömt und einen hohen Turbulenzgrad erzeugt, der die Wärmeabgabe an das Kühlmittel gewährleistet.
Der Aufbau von Formblechpaaren, die in der inneren Kavität elektrisch leitende Vorrichtungen aufweisen, und die an den zweiten Seiten der das Formblechpaar formenden Formbleche (also beidseitig) von Kühlmittel umströmt werden, gewährleistet eine hohe Wärmeübertragerfläche bei gleichzeitig hoher Druckstabilität.
Gerade der geringe Abstand der zweiten Seiten zweier Formbleche zueinander (oder eines Formblechs zu einem Rand eines Strömungsraums) führt zu ausreichend hohen Strömungsgeschwindigkeiten, die einen ausreichend hohen Turbulenzgrad für die Wärmeübertragung vom Formblech bzw. Formblechpaar auf das Kühlmittel sicherstellt.
Dadurch kann erreicht werden, dass eine gute Wärmeübertragung an das Kühlmittel mit einer sehr kompakten Bauweise ermöglicht wird. Das Volumen und Gewicht eines kühlbaren Widerstands reduziert sich um ein Vielfaches der aktuell auf dem Markt befindlichen flüssigkeitsgekühlten Bremswiderstände.
Weiterhin ist durch den einfachen Aufbau und die Verwendung von gleichen Teilen eine sehr geringe Teilevielfalt gegeben, was zur Kostenreduzierung führt.
Über das Skalieren der Formblechpaareanzahl ist eine einfache Skalierung der Leistungsklasse möglich und ermöglicht einen modularen Aufbau, je nach Leistungsanforderung.
Vorzugsweise sind die ersten, zweiten, dritten und/oder vierten Sicken zweier Formbleche durch eine Fügeverbindung, vorzugsweise Laserschweißnaht, miteinander verbunden. Solche Fügeverfahren sind einfach realisierbar und kostengünstig. Auch eine Verbördelung oder Widerstandsrollschweißen ist möglich.
Weiter vorzugsweise sind beliebig viele Formbleche (zwei Formbleche bilden hier jeweils ein Formblechpaar) miteinander verbunden, noch weiter vorzugsweise parallel angeordnet. Die Formblechpaare sind damit stapelbar.
Als äußere Begrenzung ist vorzugsweise jeweils eine Abschlussplatte vorgesehen, wobei eine zweite Seite des obersten Formblechs mit einer ersten Abschlussplatte verbunden ist und mit dieser einen Strömungskanal ausbildet, und wobei eine zweite Seite des untersten Formblechs mit einer zweiten Abschlussplatte verbunden ist und mit dieser ebenfalls einen Strömungskanal ausbildet.
Dadurch ist eine modulare Anordnung der Formblechpaare mit einer maximal kompakten Bauweise möglich, und ferner ist kein weiteres Gehäuse zur Einhaltung des Schutzgrades notwendig ist. Der systemische Druck kann durch die Abschlussplatten aufgenommen werden, wodurch die inneren Formblechpaare (deren Formbleche vorzugsweise dünner als die Abschlussplatten ausgebildet sind) druckstabil ausgeführt sind. Die Kraftvektoren des Kühlmitteldrucks heben sich also auf, es entstehen dadurch keine weiteren Spannungen nach außen.
Vorzugsweise sind entweder an der ersten Abschlussplatte oder an der zweiten Abschlussplatte ein Einlassstutzen und/oder ein Auslassstutzen vorgesehen.
Es kann aber auch einer der beiden Stutzen an der ersten Abschlussplatte, der andere Stutzen an der zweiten Abschlussplatte vorgesehen sein. Allerdings könnten Einlassstutzen und/oder Auslassstutzen auch beliebig angeordnet werden, wenn das Formblech der Bedingung der Achsensymmetrie folgt und die Einlassstutzen und/oder Auslassstutzen parallel zum Normalenvektor der Formblechseite liegen.
Der Einlassstutzen steht in fluider Verbindung mit sämtlichen Einlassöffnungen aller Formblechpaare und somit auch der Formbleche, und der Auslassstutzen steht in fluider Verbindung mit sämtlichen Auslassöffnungen aller Formblechpaare und somit auch der Formbleche.
Da sämtliche Formblechpaare Einlassöffnungen und Auslassöffnungen aufweisen, bilden sich hier interne Sammelbereiche, von welchen Fluid verteilt oder eben gesammelt wird. Fluid kann also alle Formblechpaare umströmen.
Die Strömungsführung zwischen den Stacks wird dabei, ausgehend von den internen Sammelbereichen, in die einzelnen Zwischenräume zwischen Formblechpaaren geleitet, wo eine oder mehrere Umlenkungen die Strömung zum gegenüberliegenden Sammelbereich führt.
Insbesondere bei der einfachen Umlenkung ist ein geringer interner Druckverlust gegeben. Somit kann durch den Aufbau einer Parallelverschaltung des Kühlmittelstromes, ausgehend von einem Sammelbereich, mit möglichst nur einer Umlenkung ein geringer Druckverlust ermöglicht werden.
Vorzugsweise sind jeweilige Kontaktierflächen zweier gegenüberliegender erster Seiten zweier Formbleche in einem kühlbaren Widerstand jeweils mit einem Anschlusselement verbunden, welches vorzugsweise über die Formbleche bzw. das Formblechpaar hervorsteht.
Vorzugsweise sind Anschlusselemente auf der gegenüberliegenden Seite der Einlassöffnung und Auslassöffnung angeordnet - beispielsweise sind Einlassöffnung und Auslassöffnung an einer kurzen Seite eines Rechtecks angeordnet, die Anschlusselemente auf der anderen kurzen Seite.
Vorzugsweise ist für ein System mehrerer kühlbarer Widerstände ferner eine elektrische Schnittstelle wie z.B.: ein Stecker mit mindestens einem Kontaktelement vorgesehen - Es müssen aber so viele Kontaktelemente vorhanden sein, wie Anschlusselemente vorgesehen sind - in der Regel zwei pro kühlbarem Widerstand (Pluspol und Minuspol - bei Phasenstrom können aber auch mehr als zwei Anschlusselemente vorgesehen sein). Die Variation der Position der Anschlusselemente kann so erfolgen, dass im aufgebauten Zustand die Verschaltung eines mehrphasigen Systems ermöglicht wird, dabei liegen die Anschlusselemente je Phase nicht direkt übereinander.
Die Anschlusselemente sind dazu angepasst, jeweils mit einem Kontaktelement der elektrischen Schnittstelle bzw. des Steckers in Verbindung zu stehen, wobei ein Kontaktelement weiter vorzugsweise federnde Klammern aufweist. Diese stellen sicher, dass ein sicherer Kontakt mit den Anschlusselementen hergestellt werden kann, und auch die Montage des Steckers (Welcher ja viele Kontaktelemente enthalten kann) ist einfach. Somit kann zur Verfügung stehender Strom leicht auf ein System von kühlbaren Widerständen verteilt werden.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine erste Seite eines Formblechs mit bedruckter Isolierung und elektrisch leitender Vorrichtung.
Fig. 2 zeigt ein Formblech mit der zweiten Seite (Kühlmittelseite) nach oben.
Fig. 3a zeigt einen erfindungsgemäßen, aus zwei Formblechen zusammengesetzten kühlbaren Widerstand (Formblechpaar) in Draufsicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3b zeigt drei detaillierte Querschnittsansichten des erfindungsgemäßen kühlbaren Widerstands. Fig. 4 zeigt einen erfindungsgemäßen kühlbaren Widerstand in isometrischer
Ansicht als Teilschnittansicht.
Fig. 5 zeigt einen kühlbaren Widerstand (System aus mehreren
Formblechpaaren) in der Draufsicht.
Fig. 6 zeigt das System in der Schnittansicht und im Detail des
Strömungseintritts (links) und des elektrischen Anschlusses (rechts).
Fig. 7 zeigt einen kühlbaren Widerstand (System aus mehreren
Formblechpaaren) in isometrischer Ansicht.
In Fig. 1 ist eine erste Seite FE, die Widerstandseite, eines Formblechs F in isometrischer Darstellung dargestellt.
Das Formblech F ist an drei Seiten von einer ersten Sicke 1 umgeben, welche schräg nach oben vom Formblech F absteht. Sicken sind rinnenförmige Vertiefungen oder Erhöhungen eines Blechs. Im Formblech F sind zwei Öffnungen 12, 13 vorgesehen, hier eine Auslassöffnung 12 und eine Einlassöffnung 13. Diese sind jeweils von einer dritten Sicke 5 umgeben, welche jeweils ebenfalls nach oben vom Formblech F absteht. Die erste Sicke 1 sowie die dritten Sicken 5 sind so ausgeführt, dass diese eine Ebene bilden und im Verbund mit einem weiteren Formblech und dessen entsprechenden ersten und dritten Sicken (hier nicht dargestellt) eine Kavität erzeugen.
Im Innenbereich der ersten Seite FE des Formblechs F ist eine elektrisch isolierende Schicht 2 angeordnet. Flierauf ist die elektrisch leitende Vorrichtung 4 mäanderförmig angeordnet. Ferner sind zwei Kontaktierungsflächen 3a, 3b vorgesehen, welche jeweils mit einem Ende der elektrisch leitenden Vorrichtung 4 verbunden sind. Am der Auslassöffnung 12 und Einlassöffnung 13 abgewandten Ende des Formblechs F, an welchem keine erste Sicke 1 vorgesehen ist, ist eine Freimachung 8, in Form einer Vertiefung, vorgesehen. In dieser können Anschlusselemente (hier nicht dargestellt) angeordnet werden. In Fig. 2 ist eine zweite Seite FZ des Formblechs, die Kühlmittelseite, in isometrischer Darstellung dargestellt.
Zweite Sicken 7 stehen an - vier Seiten des Formblechs F auf der zweiten Seite FZ nach oben ab und erstrecken sich daher in die entgegengesetzte Richtung wie die erste Sicke 1. Auf einer kurzen Seite des Formblechs F ist eine fünfte Sicke 9 vorgesehen, welche breiter ist als die zweiten Sicken 7 - diese ist die Rückseite der Freimachung 8 auf der ersten Seite FE. Ferner ist in der Mitte zwischen den beiden langen Seiten FZ des Formblechs F eine vierte Sicke 6 parallel zu der ersten Sicke angeordnet, welche sich allerdings nicht über die gesamte Länge des Formblechs F erstreckt. Die zweite Sicke 7, die vierte Sicke 6 sind gleich hoch ausgeführt, so dass diese eine Ebene bilden. Die fünfte Sicke 9 ist leicht abgesetzt, um eine Kavität zur Kühlung der Anschlussbereiches zu gewährleisten. Durch die zweiten Sicken 7 wird eine umlaufende Kontur gebildet, die eine Kavität bei Anordnung eines weiteren Formblechs (hier nicht gezeigt) abschließt und so den Kühlmittelbereich definiert. Die vierte Sicke 6 dient zur Strömungsführung zwischen dem Ein- und Auslass 13, 12.
In Fig. 3a ist ein erfindungsgemäßer kühlbarer Widerstand W, bestehend aus zwei Formblechen F, F' (nachfolgend auch als Formblechpaar bezeichnet), in Draufsicht dargestellt - man sieht hier auf die zweite Seite FZ des einen Formblechs F (das mit dem Formblech F verbundene weitere Formblech F' ist hier nicht sichtbar). Die ersten Sicken 1, 1' der Formbleche F, F' sind durch ein stoffschlüssiges Verfahren, beispielsweise Lasern, Kleben, Widerstandsschweißen oder Ähnlichem, so verbunden, dass eine Kavität entsteht (in dieser Abbildung nicht sichtbar). Auch die zweite Sicke 7 (zur Verbindung mit weiteren Formblechpaaren und zum Kühlmittelabschluss) ist wieder auf der Oberseite der zweiten Seite FZ des Formblechs F sichtbar. Die vierte Sicke 6 dient zur Strömungsführung zwischen Ein- und Auslass 13, 12. Am rechten Rand des Formblechs F ist die fünfte Sicke 9 zu sehen. Die zweite Sicke 7 dient der Verbindung mit einer zweiten Seite eines weiteren Formblechs F" (hier nicht dargestellt). Ferner ragen über den kühlbaren Widerstand W ein erstes und zweites Anschlusselement 10a, 10b hervor, welche vorzugsweise aus Kupfer oder einem anderen gut leitendem Material ausgebildet sind, hier auf der dem Einlass 13 und Auslass 12 abgewandten Seite des Formblechs F. In Fig. 3b sind detaillierte Querschnittsansichten des erfindungsgemäßen kühlbaren Widerstands W aus Fig. 3a gezeigt.
Die unterste Ansicht stellt dabei einen Querschnitt A-A (Position in Fig. 3a gezeigt) dar. Flieraus geht hervor, dass zwei Formbleche F, F' an deren jeweiligen ersten Sicken 1, 1' miteinander verbunden sind. Am rechten Ende steht ein erstes Anschlusselement 10a über den kühlbaren Widerstand W hervor.
In der mittleren Ansicht, welche Details zum linken und rechten Ende des kühlbaren Widerstands W zeigt, wird verdeutlicht, dass die Randbereiche des kühlbaren Widerstands W durch einen Füllstoff 11, hier Silikon, ausgefüllt sind. Das Silikon dichtet den inneren Raum des kühlbaren Widerstands W zusätzlich ab.
Die oberste Ansicht zeigt mehr Details des rechten Randbereichs. Hier ist ersichtlich, dass zwei erste Kontaktierflächen 3a, 3a', welche jeweils an der innenliegenden Seite zweier Formbleche F, F' angeordnet sind, beide mit einem ersten Anschlusselement 10a elektrisch leitend verbunden sind - der entsprechende Hohlraum zwischen den beiden Formblechen F, F' ist wiederum mit einem Füllstoff 11 ausgefüllt.
In Fig. 4 ist der kühlbare Widerstand W in isometrischer Teilschnittansicht dargestellt.
Es wird hier gezeigt, dass zwei Formbleche F, F' verbunden sind, unter anderem über die jeweiligen ersten Sicken 1, 1' sowie dritten Sicken 5, 5' (hier nicht gezeigt) - durch die Verbindung von jeweils zwei dritten Sicken 5, 5' der beiden Formbleche F, F' werden ein gemeinsamer Einlass 13 und Auslass 12 gebildet, ohne dass hier Flüssigkeit in den Innenraum des kühlbaren Widerstand W eindringen könnte. Die dritten Sicken 5, 5' dienen also zum Verschluss des Formblechpaars im Bereich der Kühlmittelführung.
Dadurch ist eine Ausführung als Formblechpaar mit einem Formblech als Widerstandsträger und einm Formbleche zur Kühlmitteltrennung möglich. Die beiden Formbleche F, F' bilden hier einen kühlbaren elektrischen Widerstand W.
Von dem Formblech F' ist die zweite Seite von oben gezeigt, also die Seite, entlang welcher Kühlmittel fließen soll - dieses fließt vom Einlass 13 zum Auslass 12, es wird randseitig durch die zweite Sicke 7, sowie die vierte Sicke 6 gelenkt, welche zur Strömungsführung dient. Ferner wird ersichtlich, dass die beiden Formbleche F, F' einen inneren Flohlraum einschließen - dieser ist am rechten Rand mit einem Füllstoff 11 ausgefüllt - in diesen Füllstoff ist das erste Anschlusselement 10a eingebettet und wird auch vom Füllstoff entsprechend gegenüber den beiden Formbleche F, F' isoliert.
In Fig. 5 sind mehreren Formblechpaare W (hier nur der oberste sichtbar) in der Draufsicht dargestellt. Es sind der Einlassstutzen 14 und der Auslassstutzen 15 dargestellt, welche auf dem Einlass 13 und Auslass 12 (hier nicht gezeigt) angebracht sind. Mit gestrichelten Linien ist die vierte Sicke 6, welche sich allerdings innerhalb des ersten Formblechpaars befindet, angedeutet. Pfeile skizzieren die Fließrichtung des Kühlmittels innerhalb des obersten kühlbaren Widerstands W. Das Kühlmittel fließt innerhalb aller übereinander angeordneten kühlbaren Widerstände vom Einlassstutzen 14 zum Auslassstutzen 15 und verteilt sich je nach Anzahl der übereinander angeordneten kühlbaren Widerstände in diesen. Am rechten Rand ist ein Stecker 20 angeordnet, welcher der elektrischen Verbindung dient.
In Fig. 6 ist die Schnittansicht eins beispielhaften Systems entlang der Linie B-B in Fig.
5 dargestellt, wobei hydraulisch parallel verschaltete kühlbare elektrische Widerstände (Formblechpaars) W, W, ... und ein entsprechender elektrischer Anschluss dargestellt ist.
In der untersten Ansicht ist eine Gesamtschnittansicht dargestellt.
An einer oberen Abschlussplatte 17 ist der Einlassstutzen 14 angebracht.
Dabei gelangt das Kühlmittel über den Einlassstutzen 14 an die einzelnen kühlbaren elektrischen Widerstände W, W... und verteilt sich parallel in die Zwischenräume, wo es nach der Umlenkung wieder am Auslassstutzen 15 (hier nicht gezeigt) austritt.
Die Einlassöffnung 13 und Auslassöffnung 12 (hier nicht dargestellt) der einzelnen kühlbaren Widerstände W, W, . bilden sozusagen interne Sammler, welche dann mit dem Einlassstutzen 14 und dem Auslassstutzen 15 in fluider Verbindung stehen. Dadurch wird die hydraulische Parallelschaltung der einzelnen kühlbaren Widerstände
W, W, . möglich. Durch wenige Umlenkungen kann ein geringer interner
Druckverlust realisiert werden.
Eine untere Abschlussplatte 16 sowie die obere Abschlussplatte 17 sind am jeweiligen Anfang und Ende der aufgereihten kühlbaren elektrischen Widerstände W, W, ..., d.h. Formblechpaare, angeordnet. Die untere Abschlussplatte 16 sowie die obere Abschlussplatte 17 sind ausreichend steif ausgeführt, um der systemischen Druckbeanspruchung standzuhalten. Die untere Abschlussplatte 16 kann zur Befestigung des Gesamtsystems dienen und bildet neben der oberen Abschlussplatte 17 die Befestigung der Frontplatte 18 am rechten Rand, an welcher eine Schutzkappe 19 befestigt ist. In der Schutzkappe 19 ist der Stecker 20 befestigt, der Kontaktelemente 21 umfasst.
In der oberen rechten Detailansicht ist dargestellt, dass ein Kontaktelement 21 so aufgebaut ist, dass dieses federnde Klammern 22 aus elektrisch gut leitfähigem Material aufnehmen kann. Ein Rundausschnitt und eine Querarretierung, beispielsweise durch eine Nut-Feder Kombination (hier nicht dargestellt), verhindert das Lösen der Klammern 22. Die Klammern 22 sind leicht untermaßig aufgebaut und dehnen sich leicht beim Einschieben der Kontaktelemente 10b. Die interne Belastung auf das Kontaktelement 21 , im Bereich der Klammern 22 ist sehr gering und benötigt nur am Rand eine verstärkte Materialanordnung.
In der oberen linken Detailansicht ist angedeutet, wie Kühlmittel durch den Einlassstutzen 14 eintritt und jeweils zwischen oberstem kühlbarem Widerstand W und oberer Abschlussplatte 17 sowie zwischen dem obersten und zweitoberstem kühlbaren Widerstand W, W strömt.
In Fig. 7 ist das Gesamtsystem in isometrischer Darstellung angeordnet und verdeutlicht die kompakte Ausführung eines Bremswiderstandes mit integriertem Anschlussstecker 20.
Unter der oberen Abschlussplatte 17 sind mehrere kühlbare Widerstände W, W, ... angeordnet. Auf der oberen Abschlussplatte 17 sind auch der Einlassstutzen 14 sowie der Auslassstutzen 15 für das Kühlmittel angeordnet. An den Anschlussstutzen können optional Sensoren für die Überwachung der Kühlmitteltemperatur angebracht werden (hier nicht gezeigt). Stirnseitig ist die Frontplatte 18 angebracht, diese ist von der Schutzkappe 19 abgedeckt. An der Schutzkappe 19 ist der Stecker 20 anbringbar.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt. Beispielsweise können die Ein- und Auslassstutzen 14 und 15 verschiedene geometrische Formen annehmen, ebenso wie Einlass 13 und Auslass 12. Die kühlbaren Widerstände W bzw. Formbleche F sind vorzugsweise rechteckig, können aber auch andere geometrische Formen einnehmen, wie beispielsweise rund, oval, polygonal - je nach zur Verfügung stehendem Raum.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Formblech F sowie einen flüssigkeitsgekühlten Widerstand, der aus mehreren Formblechen F, F', ..., Fn aufgebaut ist.
Die Formbleche F weisen eine erste Seite FE auf, welche mit einer elektrisch isolierenden Schicht 2 beschichtet ist, wobei auf der elektrisch isolierenden Schicht 2 eine elektrisch leitende Vorrichtung 4 aufgebracht ist oder in diese eingebettet ist, sowie eine zweite Seite FZ, welche von Kühlmittel anströmbar ist.
Durch Verbinden mehrerer Formbleche F, F', ..., Fn entsteht ein kühlbarer Widerstand, welcher sehr kompakt, platzsparend und skalierbar ist.
BEZUGSZEICHENLISTE
F Formblech
FE erste Seite
FZ zweite Seite
W kühlbarer Widerstand / Formblechpaar
1 erste Sicke
2 elektrisch isolierende Schicht
3a erste Kontaktierfläche
3b zweite Kontaktierfläche
4 elektrisch leitende Vorrichtung
5 dritte Sicke
6 vierte Sicke
7 zweite Sicke
8 Freimachung
9 fünfte Sicke
10a erstes Anschlusselement
10b zweites Anschlusselement
11 Füllstoff
12 Auslass
13 Einlass
14 Einlassstutzen
15 Auslassstutzen
16 untere Abschlussplatte
17 obere Abschlussplatte
18 Frontplatte
19 Schutzkappe
20 elektrische Schnittstelle / Stecker
21 Kontaktelement / Kupfer
22 federnde Klammer

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Wärmetauschvorrichtung (F), umfassend eine erste Seite (FE) und eine zweite Seite (FZ), wobei die erste Seite (FE) mit einer elektrisch isolierenden Schicht (2) beschichtet ist, wobei auf der elektrisch isolierenden Schicht (2) eine elektrisch leitende Vorrichtung (4) aufgebracht ist oder in diese eingebettet ist, und wobei auf der zweiten Seite ein Strömungspfad (P) definiert ist, welcher dazu angepasst ist, von Kühlmittel angeströmt oder durchströmt zu werden, wobei am Beginn des Strömungspfads (P) ein Einlass (13) und am Ende des Strömungspfads (P) ein Auslass (12) für Kühlmittel vorgesehen sind, wobei der ohmsche Widerstand der elektrisch leitenden Vorrichtung (4) auf der ersten Seite (FE) an der Position, an welcher auf der zweiten Seite (FZ) der Strömungspfad beginnt, größer dimensioniert ist als an der Position, an welcher auf der zweiten Seite (FZ) der Strömungspfad endet.
2. Wärmetauschvorrichtung (F) gemäß Anspruch 1 , wobei der ohmsche Widerstand der elektrisch leitenden Vorrichtung (4) auf der ersten Seite (FE) von der Position, an welcher auf der zweiten Seite (FZ) der Strömungspfad beginnt, bis zu der Position, an welcher auf der zweiten Seite (FZ) der Strömungspfad endet, kleiner dimensioniert wird, vorzugsweise kontinuierlich.
3. Wärmetauschvorrichtung (F) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Querschnittsfläche der elektrisch leitenden Vorrichtung (4) auf der ersten Seite (FE) an der Position, an welcher auf der zweiten Seite (FZ) der Strömungspfad beginnt, kleiner dimensioniert ist als an der Position, an welcher auf der zweiten Seite (FZ) der Strömungspfad endet.
4. Wärmetauschvorrichtung (F) gemäß Anspruch 3, wobei sich die Querschnittsfläche der elektrisch leitenden Vorrichtung (4) auf der ersten Seite (FE) von der Position, an welcher auf der zweiten Seite (FZ) der Strömungspfad beginnt, bis zu der Position, an welcher auf der zweiten Seite (FZ) der Strömungspfad endet, erhöht, vorzugsweise kontinuierlich erhöht.
5. Wärmetauschvorrichtung (F) gemäß Anspruch 4, wobei sich die Breite der elektrisch leitenden Vorrichtung (4) auf der ersten Seite (FE) von der Position, an welcher auf der zweiten Seite (FZ) der Strömungspfad beginnt, bis zu der Position, an welcher auf der zweiten Seite (FZ) der Strömungspfad endet, kontinuierlich erhöht, wobei die Dicke der elektrisch leitenden Vorrichtung (4) an jeder Position gleich ist.
6. Wärmetauschvorrichtung (F) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei am Rand der ersten Seite (FE) eine erste Sicke (1) vorgesehen ist, und auf der zweiten Seite (FZ) am Rand eine zweite Sicke (7) vorgesehen ist, welche die Wärmetauschvorrichtung (F) umgibt, und ferner auf der ersten Seite dritte Sicken (5) vorgesehen sind, welche den Einlass (13) und den Auslass (12) umgeben. wobei die erste Sicke (1) von der ersten Seite (FE) vorzugsweise absteht, und weiter vorzugsweise auf der zweiten Seite (FZ) ferner mindestens eine vierte Sicke (6) vorgesehen ist, und wobei die Wärmetauschvorrichtung (F) noch weiter vorzugsweise aus Edelstahl ausgebildet ist.
7. Kühlbarer Widerstand (W), welcher mindestens zwei Wärmetauschvorrichtungen (F) gemäß Anspruch 6 umfasst, wobei die jeweilige erste Seite (FE, FE') zweier Wärmetauschvorrichtungen (F, F') gegenüberliegend voneinander angeordnet sind und beide Wärmetauschvorrichtungen (F, F') an den jeweils ersten Sicken (1, 1') sowie dritten Sicken (5, 5') miteinander verbunden sind, wobei der Flohlraum zwischen den jeweiligen ersten Seiten (FE, FE') zweier Wärmetauschvorrichtungen (F, F') vorzugsweise mit einem Füllstoff (11) gefüllt ist, weicherweiter vorzugsweise Silikon enthält, oder wobei die jeweiligen zweite Seiten (FZ, FZ') zweier Wärmetauschvorrichtungen (F, F') gegenüberliegend voneinander angeordnet sind und beide Wärmetauschvorrichtungen (F, F') an den jeweils zweiten Sicken (7, 7') miteinander verbunden sind, und vorzugsweise die vierten Sicken (6, 6') miteinander verbunden sind, und somit ein zwischen den jeweiligen zweiten Seiten (FZ, FZ') der beiden Formbleche (F, F') ein Strömungspfad (P) definiert ist, welcher dazu angepasst ist, dass ein Fluid von der Einlassöffnung (13) zu der Auslassöffnung (12) strömen kann, wobei die Einlassöffnungen (13, 13') und die Auslassöffnungen (12, 12') nebeneinander angeordnet und durch die vierten Sicken (6, 6') voneinander getrennt sind, und durch die miteinander verbundenen vierten Sicken (6, 6') der Strömungspfad U- förmig ist.
8. Kühlbarer Widerstand (W) gemäß Anspruch 7, wobei beliebig viele Wärmetauschvorrichtungen (F, F', ..., Fn) parallel angeordnet und miteinander verbunden sind, wobei als äußere Begrenzung jeweils eine Abschlussplatte (16, 17) vorgesehen ist, wobei eine zweite Seite (FZ) der ersten Wärmetauschvorrichtung (F) mit einer ersten Abschlussplatte (16) verbunden ist und mit dieser einen Strömungspfad ausbildet, und wobei eine zweite Seite (FZ) einer letzten Wärmetauschvorrichtung (Fn) mit einer zweiten Abschlussplatte (17) verbunden ist und mit dieser einen Strömungspfad ausbildet, und/oder wobei entweder an der ersten Abschlussplatte (6) oder an der zweiten Abschlussplatte (17) ein Einlassstutzen (14) sowie ein Auslassstutzen (15) vorgesehen sind, wobei der Einlassstutzen (14) in fluider Verbindung mit sämtlichen Einlassöffnungen (13, 13', ..., 13n) aller Formbleche (F, F', ..., Fn) steht, und der Auslassstutzen (15) in fluider Verbindung mit sämtlichen Auslassöffnungen (12, 12', ..., 12n) aller Formbleche (F, F', ..., Fn) steht.
9. Kühlbarer Widerstand (W) gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die elektrisch leitenden Vorrichtungen (4, 4') zweier gegenüberliegender Wärmetauschvorrichtungen (F, F') auf jeder Seite mit einem Anschlusselement (10a, 10b) verbunden sind, welches über die Wärmetauschvorrichtungen (F, F') hervorsteht.
10. Kühlbarer Widerstand (W) gemäß Anspruch 9, ferner eine elektrische Schnittstelle (20) mit mindestens einem Kontaktelement (21 ) aufweisend, wobei die Anschlusselemente (10a, 10b) dazu angepasst sind, jeweils mit einem Kontaktelement (21a, 21b) in Verbindung zu stehen, wobei ein Kontaktelement (21a, 21b) vorzugsweise federnde Klammern (22) aufweist.
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