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Die
Erfindung betrifft ein dieselelektrisches Fahrzeug, insbesondere
ein Schienenfahrzeug mit einem Dieselgenerator.
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Fahrzeuge,
insbesondere Schienenfahrzeuge, die als Triebfahrzeuge ausgebildet
sind, kommen immer dann mit einem Dieselmotor als Primärenergiequelle
zum Einsatz, wenn die Strecke wegen mangelnder Belastung nicht elektrifiziert
wurde.
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Die
zentralen Probleme beim Einsatz eines Dieselmotors als Traktionsantrieb
sind die Unfähigkeit
im Anlauf Drehmoment abzugeben, wie dies beispielsweise Elektromotoren
oder Dampfmaschinen können
und die relativ feste Bindung von Leistung und Drehzahl bei niedriger
Verbrauchsziffer.
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Bei
Straßenfahrzeugen
wurden diese Probleme durch Kupplungen und Schaltgetriebe beseitigt.
Bei Schienentriebfahrzeugen ist dies nur im kleinen Leistungsbereich
wirtschaftlich realisierbar.
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Bei
Fahrzeugen für
den Schienenverkehr mit höherer
Leistung kommen deshalb nur eine dieselhydraulische Kraftübertragung
mit Föttinger-Wandler
und die dieselelektrische Kraftübertragung
in Frage.
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Bei
dieselelektrischen Fahrzeugen und auch allen weiteren Fahrzeugen
mit Verbrennungskraftmaschinen (z. B. Gasmotoren, Gasturbinen) und
elektrischer Leistungsübertragung
sind neben den Traktionsmotoren auch elektrische Hilfsbetriebe als
Verbraucher mit einer niedrigeren verketteten Wechselspannung (z.
B. 440 Volt) zu versorgen, die auch umrichtergespeist sein können. Diese
Verbraucher müssen
aus Schutzgründen
galvanisch vom Traktionszwischenkreis elektrisch getrennt werden.
Bei höheren
Dieselleistungen (insbesondere Leistungen größer 1000 bis 1500 kW) beträgt die Spannung
des Traktionszwischenkreises typischerweise mindestens 1800 V.
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Zur
galvanisch vom Traktionszwischenkreis getrennten Versorgung der
Hilfsbetriebe gibt es folgende bekannten Grundkonzepte, auf die
später
im Rahmen der Figurenbeschreibung näher eingegangen wird:
Anzapfung
der Generatorständerwicklung
und Einsatz eines Transformators mit Gleichrichter zur Versorgung des
Hilfsbetriebsumrichters.
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Einbau
einer kompletten galvanisch getrennten Hilfsbetriebswicklung im
Ständer
des Dieselgenerators zusätzlich
zur Traktionswicklung.
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Versorgung
der Hilfsbetriebe direkt aus dem Traktionszwischenkreis.
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Versorgung
des Hilfsbetriebsumrichters mit einer gepulsten Gleichspannung aus
dem Traktionszwischenkreis mittels Tiefsetzsteller.
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Versorgung
des Hilfsbetriebsumrichters und einer gepulsten Gleichspannung über einen
vergleichsweise kompakten leichteren Mittelfrequenztransformator.
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Nachteilig
bei all den aufgezeigten Lösungen
sind infolge der Verwendung von Leistungshalbleitern mit höherer Sperrspannung
oder zusätzlich
komplexen Wicklungssystemen oder Transformatoren zur Potentialtrennung
die aufwändige
und teure Umsetzung.
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Ausgehend
davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Versorgung
der Hilfsbetriebe in einfacher Art und Weise bereit zu stellen,
unter Anwendung der galvanischen Trennung und unter Beachtung der geltenden
Schutzvorschriften.
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Die
Lösung
der gestellten Aufgabe gelingt durch ein dieselelektrisches Fahrzeug,
insbesondere Schienenfahrzeug, mit einem Dieselgenerator der als
permanenterregter Synchrongenerator ausgeführt ist, der mit einer in einem
Ständer
vorgesehenen Ständerwicklung,
die eine Traktionswicklung und eine davon galvanisch getrennten
Hilfswicklung aufweist, ausgeführt
ist.
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Die
damit zusätzlich
galvanisch getrennte Hilfsbetriebswicklung im Ständer des Dieselgenerators,
der als permanenterregter Synchrongenerator ausgeführt ist,
sind keine weiteren Trenntransformatoren, die sich in Kosten, in
Masse und in Bauraum niederschlagen, für die Hilfsbetriebe notwendig.
Auch sind keine zusätzlichen
Leistungshalbleiterbauelemente mit erhöhter Sperrspannung notwendig.
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Vorteilhafter
Weise sind dabei die Hilfsbetriebswicklungen mit der Traktionswicklung
des Stators des permanenterregten Synchrongenerators verschachtelt.
D. h. die Hilfsbetriebswicklung befindet sich zumindest abschnittsweise
mit der Traktionswicklung in den gleichen Nuten des Ständers.
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In
einer anderen Ausführungsform
sind vorgegebene Abschnitte des Ständers nur von der Hilfsbetriebswicklung
belegt. Damit ist die Hilfsbetriebswicklung konzentriert in den
Nuten eines Abschnitts der permanenterregten Synchronmaschine angeordnet.
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Sowohl
bei der einen, als auch bei der anderen Ausführungsform wird in erster Näherung das
Verhältnis
zwischen den Nutenzahlen bzw. Polen, die jeweils für die Traktionswicklung
und die Hilfsbetriebswicklung belegt werden, durch das Verhältnis der
Traktions- und Hilfsbetriebsleistungen bestimmt. Beide Wicklungsanordnungen,
d. h. eine verteilte Hilfsbetriebswicklung als auch die konzentrierte
Hilfsbetriebswicklung führen
zu vergleichsweise höheren
Wicklungsoberfeldern, die allgemein zu größeren Maschinenverlusten im
Rotor und im Ständer
führen.
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Deshalb
kommen für
hoch ausgenutzte und gleichzeitig auf Wirkungsgrad ausgelegte Asynchrongeneratoren
und elektrisch erregte konventionelle Generatoren mit Dämpferkäfig derartige
Rotoren nicht in Frage. Dies würde
bei Käfigläufern zu
hohen Ausgleichsströmen
führen.
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Bei
der konzentrierten Hilfsbetriebswicklung führen die Randeffekte vom Übergang
der Traktionswicklung auf die Hilfsbetriebswicklung und umgekehrt
zu vergleichsweise hohen Verlusten bei Asynchrongeneratoren und
konventionellen Synchrongeneratoren. Der Rotor der permanenterregten
Synchronmaschine ist aufgrund der vorgeschlagenen Anordnung der
Hilfsbetriebswicklung, die zu erhöhten Läuferverlusten bei konventionellen
Generatoren führt,
vergleichsweise gut geeignet, da die Wicklungsoberfelder und/oder
Randeffekte keine parasitären
Auswirkungen auf den Rotor haben, die sich letztendlich in erhöhten Wärmeabgabe
zeigen würden.
Dies zeigt sich insbesondere auch dadurch, dass bei Verwendung der
Zahnspulentechnik bei der permanenterregten Synchronmaschine die
ebenfalls Oberwellen verursacht, die Läufer weniger verlustbehaftet sind.
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Die
Hilfsbetriebswicklung und die Traktionswicklung sind im Bereich
des Ständers
des permanenterregten Synchrongenerators konzentriert ausgeführt, wobei
eine vorgebbare Anzahl der vorhandenen Polpaare, die galvanisch
getrennte Hilfsbetriebswicklung bilden.
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Vorteilhafterweise
bilden dabei ca. 20% der vorhandenen Polpaare für die konzentrierte Hilfsbetriebswicklung
vorgesehen.
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Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
werden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung
näher erläutert. Darin
zeigen:
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1 bis 5 Anordnungen
des Standes der Technik,
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6 ein
erfindungsgemäßes Schaltungsprinzip,
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7 konzentrierte
Hilfsbetriebswicklung,
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8 verteilte
Hilfsbetriebswicklung,
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9 prinzipielle
Darstellung eines permanenterregten Synchrongenerators.
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1 zeigt
in einem Schaltbild eine Anzapfung einer Ständerwicklung 4 eines
Dieselgenerators 2, wobei die Ständerwicklung 4 als
Traktionswicklung 5 ausgelegt ist. Die Traktionswicklung 5 dient
insbesondere der Leistungszufuhr der Fahrmotoren 8. Des
Weiteren ist im Rahmen einer elektrischen Anzapfung ein Transformator 12 vorgesehen,
der eine galvanische Trennung zwischen der Ständerwicklung 4 und
dem Hilfsbetriebsgleichrichter 11 herbeiführt. Der
Hilfsbetriebsgleichrichter 11 speist über einen Zwischenkreis den
Hilfsbetriebsumrichter 10, der wiederum die Hilfsbetriebe,
beispielsweise Klimaanlagen, Licht etc. betreibt. Der Dieselgenerator 2 weist
eine elektrische Erregung 3 auf. Der Dieselgenerator 2 wird
von einem Dieselmotor 1 angetrieben. Über die Ständerwicklung 4, die
in diesem Fall als Traktionswicklung 5 ausgebildet ist,
wird über einen
Diodengleichrichter 7 ein Traktionszwischenkreis 18 gespeist.
Vom Traktionszwischenkreis 18 werden über verschiedene Traktionsumrichter 17 die
Fahrmotoren 8 gespeist. Am Traktionszwischenkreis 18 sind elektrisch
ebenfalls der Bremschopper 15 und der Bremswiderstand 16 angeordnet.
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Der
Aufwand dieser Anordnung zeigt sich u. a. darin, dass eine Anzapfung
der Ständerwicklung 4 vorgenommen
werden muss und zur galvanischen Trennung zwischen Ständerwicklung 4 und
Hilfsbetriebsgleichrichter 11 ein Transformator 12 vorzusehen
ist.
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2 zeigt
einen der 1 ähnlichen Aufbau, wobei zur
elektrischen Speisungen der Hilfsbetriebe 9 eine von der
normalen Ständerwicklung,
in diesem Fall die Traktionswicklung 5 komplett galvanisch
getrennte Hilfsbetriebswicklung 6 im Ständer des Dieselgenerators 2 zusätzlich zur
Traktionswicklung 5 vorzusehen ist. Diese Hilfsbetriebswicklung 6 muss u.
a. zur Vermeidung von Pendelmomenten und Verlusten im Dämpferkäfig dieses
konventionellen Dieselgenerators 2 wie die Traktionswicklung 5 aufgebaut
sein, d. h. gleiche Spulenzahl mit gleicher Spulenweite. Damit ist
diese Hilfsbetriebswicklung 6 sehr aufwendig herzustellen
und dementsprechend teuer.
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3 zeigt
in einer weiteren bereits bekannten Alternative die Versorgung der
Hilfsbetriebe 9 direkt aus dem Traktionszwischenkreis 18,
wobei der Hilfsbetriebsumrichter 10 mit Leistungshalbleitern
von entsprechender Sperrspannung aufgebaut sein muss und ein Transformator 12 vorzusehen
ist, um eine galvanische Trennung zu gewährleisten. Sowohl die entsprechenden
Leistungshalbleiter als auch ein zusätzlicher Transformator machen
sich in den Kosten und auch in der Masse als auch den elektrischen
Verlusten bemerkbar.
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4 zeigt
die Versorgung des Hilfsbetriebsumrichters 10 durch eine
gepulste Gleichspannung aus dem Traktionszwischenkreis 18 mittels
eines Tiefsetzstellers, der aus einem Chopper 14 und einer
Drossel 13 gebildet ist. Zur galvanischen Trennung muss
dabei ebenfalls ein Transformator 12 eingesetzt werden.
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5 zeigt
in einer weiteren bereits eingesetzten Variante einen vergleichsweise
kompakten und leichten Mitteltransformator 12 für Mittelfrequenz
zur die Versorgung des Hilfsbetriebsumrichters 10 durch
eine gepulste Gleichspannung. Damit liegt eine galvanische Trennung
vor und es ist ein zusätzlicher
Gleichrichter vorhanden.
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6 zeigt
nunmehr eine erfindungsgemäße Anordnung
mit einem Dieselgenerator, der als permanenterregter Synchrongenerator
ausgeführt
ist mit einer einfachen, galvanisch getrennten Hilfsbetriebswicklung 6 im
Ständer 30 des
Synchrongenerators zusätzlich
zur Traktionswicklung 5. Der permanenterregte Synchrongenerator
speist über
einen Gleichrichter 7 den Traktionszwischenkreis 18.
Dies kann über
einen Diodengleichrichter oder einen IGBT-Gleichrichter geschehen,
der zusätzlich eine
Energieumkehr bei elektrischen Bremsen des Fahrzeugs erlaubt.
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Damit
werden die Hilfsbetriebe 9 mit ansonsten in den Bremswiderständen dissipierten
Energie gespeist. Diese Energie wird induktiv in die Hilfsbetriebswicklung 6 übertragen
und speist somit die Hilfsbetriebe 9. Damit müssen die
Hilfsbetriebe 9 im elektrischen Bremsen nicht vom Dieselmotor 1 mit
Energie versorgt werden, was eine zusätzliche Kraftstoffeinsparung
zur Folge hat.
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Damit
werden die Hilfsbetriebsumrichter 10 auf angepasster Niederspannungsebene
direkt vom Dieselgenerator 2 über einen Dioden- oder IGBT-Gleichrichter
gespeisten Zwischenkreis mit einer Spannung Ud von
ca. 600 bis 700 V versorgt.
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7 zeigt
in einem konkreten Ausführungsbeispiel
einen 10-poligen
permanenterregten Synchrongenerator. Bei der ca. 80% der Dieselleistung
für die
Traktion und die verbleibenden 20% für die Hilfsbetriebe 9 zur
Verfügung
stehen sollen. Die dreiphasige elektrische Maschine von der ausgegangen
wird, ist mit folgender Ständerwicklung
ausgestattet:
- Nutzahl pro Pol und Strang: q = 2
- Polzahl: 2 p = 10
- Strangzahl: m = 3
- Wicklungsausführung:
Zweischichtwicklung
- Ständernutenzahl:
N1 = 60
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Das
Wicklungsschema für
ein Polpaar zeigt 7. Es werden für die 10-polige
elektrische Maschine 60 Ständerspulen benötigt. Die
Zweischichtwicklung ist gesehnt und weist ein Verhältnis der
Spulenweite zur Polteilung von W/τp =
5/6 auf. Die Schaltung der Spulen von Strang U-X ist fett gekennzeichnet.
Die Klemme X wäre
bei einer Dreieckschaltung Teil des Sternpunkts.
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Für die erfindungsgemäß vorgeschlagene
konzentrierte Hilfsbetriebswicklung sind die Polpaare mit einer
Wicklung nach 7 versehen, wobei acht Pole
für die
Traktionswicklung 5 gemäße 6 entsprechend verschaltet
sind (parallel, in Reihe, kombiniert). Die beiden verbleibenden
Pole für
die konzentrierte Hilfsbetriebswicklung 6 werden separat
verschaltet, wie in 7 dargestellt. Die beiden Wicklungssysteme
(Traktionswicklung 5 und Hilfsbetriebswicklung 6) überlappen
sich. Die Ständerspulenzahl
erhöht
sich dabei nicht.
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Die
Ständernutenzahlen
N1 und Spulenzahlen für
das Beispiel des 10-poligen permanenterregten Synchrongenerators
sind im folgenden tabellarisch aufgeführt, wobei sich Aufwand und
Kosten für
die Wicklungsherstellung in erster Linie an der Spulenzahl orientieren.
| Nutenzahl | Spulenzahl
für Traktions-
und Hilfsbetriebswicklung |
Konventionelle
Generatoren mit symmetrischen Wicklungen (ASM, elektrisch erregte
SM) | 60 | 120 |
PM-Generator
mit verteilter Hilfsbetriebswicklung | 75 | 75 |
PM-Generator
mit konzentrierter Hilfsbetriebswicklung | 60 | 60 |
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Um
dies bei konventionellen Generatoren umsetzen zu können, wären zusätzliche
60 Spulen für
die Hilfsbetriebswicklung notwendig um eine zur Traktionswicklung
symmetrische Hilfsbetriebswicklung herzustellen. Dadurch würde sich
der Fertigungsaufwand für
die Ständerwicklung 4 verdoppeln.
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Für die erfindungsgemäße vorgeschlagene
verteilte Hilfsbetriebswicklung 6 erhöhen sich die Nutenzahlen pro
Pol und Strang, in diesem Beispiel um 0,5 auf q = 2,5, wobei von
der Traktionswicklung 5 wie zuvor nur zwei Nuten pro Pol
und Strang belegt werden.
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8 zeigt
in einem beispielhaften Wicklungsschema für die Anordnung einer verteilten
Hilfsbetriebswicklung 6. Die Gesamtspulenzahl für die Ständerwicklung 4 erhöht sich
von 60 auf 75 Spulen. Es liegt ebenfalls eine gesehnte Zweischichtwicklung
mit verteilter Hilfsbetriebswicklung 6 für ein Polpaar
(Traktionswicklung q = 2, Hilfsbetriebswicklung qHB =
0,5, Spulenweite zu Polteilung W/τp =
7/7,5) vor. Die Spulen in 8 der Hilfsbetriebswicklung 6 sind
gestrichelt dargestellt. Die Schaltungen der Spulen von Strang U-X
der Traktionswicklung 4 sind fett dargestellt. Klemme X
wäre bei
einer Dreiecksschaltung Teil des Sterns. Des Weiteren ist der Anschluss
des Strangs R der Hilfsbetriebswicklung dargestellt. Klemme X* wäre bei einer
Dreiecksschaltung Teil des separaten Sternpunkts der Hilfsbetriebswicklung.
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Die
Zahlen in 7,8 sind keine
Bezugszeichen sondern lediglich Nummerierungen von Spulen oder Nuten.
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9 zeigt
in einem prinzipiellen Längsschnitt
einen permanenterregten Synchrongenerator ausgeführten Dieselgenerator 2.
Der Ständer 30 weist
die Ständerwicklung 4 auf,
die als Traktionswicklung 5 und als Hilfsbetriebswicklung 6 wie
oben beschrieben ausgeführt
ist. Die Bleche des Ständers 30 weisen
axial verlaufende Kühlkanäle auf.
Der Rotor 21, auch als Läufer bezeichnet, ist insbesondere
hohl ausgeführt,
um zum einen die Trägheit
zu reduzieren und zum anderen über
den Hohlraum Kühlluft
zu führen
und oder einen Axiallüfter 23 zu
positionieren.
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In
dieser Ausführungsform
sind Permanentmagnete 20 an der Oberfläche des Rotors 21 angeordnet und
beispielsweise über
eine nicht näher
dargestellte Bandage fixiert. Selbstverständlich sind die Permanentmagnete 20 in
einer anderen Aus führungsform
auch im Rotor 21 als vergrabene Permanentmagnete 20 anordenbar.
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Der
Ständer 30 ist
in einem Gehäuse
untergebracht, das eine Wassermantelkühlung 24 aufweist.
Das Gehäuse
selbst ist über
Lager 28 mit einer vom Dieselmotor 1 in Rotation
versetzten Welle 29 verbunden.
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Über zumindest
einen Axiallüfter 23,
der beispielhaft im Rotor 21 angeordnet ist, wird ein Kühlluftstrom vom
Lufteintritt über
den Rotor 21 und den Radiallüfter 26 zum Luftaustritt
gelenkt.
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Ein
weiterer Kühlluftstrom
führt vom
Lufteintritt 22 über
die Kühlkanäle des Ständers 30 und
die Wickelköpfe über ein
Leitblech zum Luftaustritt 25.
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Zusammen
mit der Wassermantelkühlung 24 liegt
damit eine äußerst effiziente
Kühlung
des permanenterregten Synchrongenerators an.
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Anstatt
der Durchzugsbelüftung
kann ebenso ein geschlossener Kühlgaskreislauf
eingesetzt werden, wobei durch dementsprechend gestaltete Lüfter eine
Zirkulation des Kühlgases
herbeigeführt
wird, die der Wassermantelkühlung 24 in
einfacher Art und Weise den Wärmeabtransport
ermöglichen.
Die gelingt beispielsweise dadurch, dass das erwärmte Kühlgas auf der Innenseite des
Gehäuses
vorbei streicht.