DE2850197A1 - Cooling system for high power underground equipment - removes heat using vaporiser inside stator casing of drive motor - Google Patents

Abstract

The cooling system, esp. for mining or tunnelling locomotives used underground removes waste heat via a heat pump system containing only the vaporiser at the location of the heat source in the high-power equipment or within a pressure-tight encapsulation. The vaporiser (4, 5, 6) is located in axial cavities in the outer stator casing of the drive motor (1). The stator casing (7) of the drive motor is made of tubes for carrying coolant and is itself constructed as vaporiser. Alternatively, the vaporiser may be located in the pressure-tight casing containing the electronic circuitry. The feed throughs for the vaporiser are themselves pressure-tight.

Description

Kühlsystem für raumkritisch unterbringbareCooling system for space-critical accomodations

Hochleistungsaggregate Die Erfindung bezieht sich auf ein Kühlsystem für raumkritisch unterbringbare Hochleistungsaggregate, vorzugsseise bei Einrichtungen in schlagwettergeführdeter Umgebung, insih besondereVBergbau oder Grubenlokomotiven.High-performance units The invention relates to a cooling system for high-performance units that can be accommodated in a space-critical manner, preferably for facilities in firedamp environments, especially special mining or mine locomotives.

Die Abführung der Verlustleistung von Fahrmotoren und elektronischen Leistungsbauteiien bereitet gerade bei Grubenlokomotiven mit ihren engen Einbauverhältnissen bei höheren Umgebungstemperaturen und dem zusätzlichen Erfodernis des Schlagwetterschutzes große Schwierigkeiten. Die einbaubare Leistung ist begrenzt, da es schwierig wird, die erforderlichen Kühloberflächen mit unterzubringen. Wasser- oder Ölkühlung bringt gegenUber herkömmlicher Luftkühlung bereits eine Verbesserung, jedoch sind auch hier die Grenzen eng, da die zur Verfügung otahadnn Temperaturdifferenzen zu gering sind (#t ca. 40°C) Aufgabe der Erfindung ist es, über eine weiter verbesserte Kühlung einen festliegenden Einbauraum (hier in der Lokomotive) durch höhere Einbauleistung noch besser ausnutzen zu können.The dissipation of power loss from traction motors and electronic Power components are prepared especially for mine locomotives with their tight installation space at higher ambient temperatures and the additional requirement of firedamp protection great difficulties. The power that can be built in is limited as it becomes difficult to accommodate the required cooling surfaces. Water or oil cooling brings Compared to conventional air cooling already an improvement, but are also here the limits are narrow, since the available otahadnn temperature differences are too small are (#t approx. 40 ° C) The object of the invention is to provide a further improved cooling a fixed installation space (here in the locomotive) due to higher installation capacity to be able to make better use of it.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung für ein Kühlsystem der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die anfallende Verlustwärme über ein Wärmepumpensystem<geführt wird, von dem ausschließlich der Verdampfer am Ort des Wärmeanfalls im Hochleistungsaggregat oder innerhal-b einer ggf. vorhandenen, umhüllenden, druckfesten Kapselung untergebracht ist.This object is achieved according to the invention for a cooling system of the opening paragraph mentioned type solved in that the resulting heat loss through a heat pump system < of which only the evaporator at the location of the heat accumulation in the high-performance unit or housed within a possibly existing, enveloping, pressure-resistant encapsulation is.

Durch die Verwendung eines Wärmepumpensystems kann gegenüber d: bisherigen Techniken mit Luft-, Öl- oder Wasserkühlung wesentlich mehr Verlustenergie abgeführt werden, ohne zusätzliche Belastun des Einbauraumes durch erforderliche Kühloberflächen. Die für den Wärmetransport zur Verfügung stehende Temperaturcifferenz erhöht sich durch das flüssige Kältemittel auf ca. 8C bis 1000C Es ist dadurch an sich möglich, die Leistungsdichte im Hochleistungsaggregat zu erhöhen, z.B. durch Einsparung von Ventilzellen bei Umrichtern. Es ist somit möglich, volumenmäßig keiner zu bauen. Dieser Vorteil wird jedoch durch die aufwendigere Technik mit ca. 10 bis 20 % Mehrkosten gegenüber Luftkühlung weitgehend wettgemacht. Der wesentlichste Vorteil liegt jedoch in der Möglichkeit, die Wärme direkt abzutransportieren und erst an einem beliebigen Ort, dort, wo es paßt, an die Umgebung abzugeben. Der Einsatz von Wärmepumpen ist an sich bekannt. Er steht allgemein in Zielrichtung Energieeinsparung. Hieran wird beim Einsatz zur Kühlung von Hochleistungsaggregaten bei Grubenlokomotiven nicht gedacht, ergibt sich doch sogar eine negative Energiebilanz gegenüber herkömmlicher Luftkühlung. Hier überwiegen die einbautechnischen Vorteile.By using a heat pump system, compared to previous Techniques with air, oil or water cooling dissipate significantly more energy loss without additional stress on the installation space due to the required cooling surfaces. The temperature difference available for heat transport increases due to the liquid refrigerant to approx. 8C to 1000C. to increase the power density in the high-performance unit, e.g. by saving Valve cells in converters. It is thus possible not to build any in terms of volume. However, this advantage is due to the more complex technology with approx. 10 to 20% additional costs compared to air cooling largely made up for. The most essential The advantage, however, lies in the possibility of transporting the heat away directly and only at any place, where it suits, to be released into the environment. The use of heat pumps is known per se. It is generally aimed at saving energy. This is used to cool high-performance units in mine locomotives not thought, it even results in a negative energy balance compared to conventional ones Air cooling. The technical installation advantages predominate here.

In Ausgestaltung der Erfindung können für die.Fahrmotcren die Verdampfer in sich axial erstreckenden Hohlräumen des äußeren Statorgehäuses untergebracht sein. Ist der Verdampfer dabei außerhalb des eigentlichen Schlagwetterschutzes des Fahrmotors angeordnet, sind keine besonderen Erfordernisse an die Kältemittelanschlüsse für den Verdampfer zu stellen. Das gleiche gilt auch, wenn nach einem weiteren Erfindungsgedanken das Statorgehäuse des Fahrmotors von Rohren für ein Kältemittel d:irchzogen und selbst als Verdampfer ausgebildet ist. Durch das erforderliche Röhrensystem wird der Motor zwar etwas größer, ir.gesamt wird dennoch Platz gespart gegenüber einem luftgekühlten Motor mit Kühlrippen. Für die Leistungselektronik ist es vorteilhaft, wenn der Verdampfer mit im druckfesten Gerätekasten der Elektronik untergebracht ist. In solchen Fällen ist es wesentlich, wenn die Durchführungen und/oder Anschlüsse der Verdämpfer durch die Gehäuse oder Kapselung der Aggregate, sofern Schutzzonen durchdrungen werden, selbst druckfest sind.In an embodiment of the invention, the evaporator can for die.Fahrmotcren housed in axially extending cavities of the outer stator housing be. If the vaporizer is outside the actual firedamp protection of the Arranged drive motor, there are no special requirements for the refrigerant connections to ask for the vaporizer. The same also applies if after a further inventive idea the stator housing of the traction motor is drawn from pipes for a refrigerant and itself is designed as an evaporator. The required pipe system will The engine is a bit bigger, but overall space is saved compared to one air-cooled motor with cooling fins. For power electronics it is advantageous if the evaporator is also housed in the pressure-proof device box of the electronics is. In such cases it is essential that the bushings and / or connections the evaporator through the housing or encapsulation of the units, provided protection zones penetrated are pressure-resistant themselves.

Die Bauteile für die Leistungs- und auch Steuerelektronis (Um.-richter für den Antrieb) können jetzt in einem druckfesten Gehäuse zusammengefaßt und gekühlt werden. Die Anschlußtechnik in schlagwettergeschützter Ausführung stellt sich gegenüber mcreren Einzelkästen jetzt wesentlich einfacher.The components for the power and control electronics (converter for the drive) can now be combined in a pressure-resistant housing and cooled will. The connection technology in a firedamp-proof version is juxtaposed More individual boxes are now much easier.

Für den Fall, daß auch bei den Fahrmotoren die Verdrampfer ir.nerhalb der Schutzzone liegen, ist auch dort für druckfeste Anschlüsse und Durchführungen zu sorgen. Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen sind den Ansprüchen entnehmbar.In the event that the evaporators in the traction motors are inside the protection zone is also there for pressure-tight connections and bushings to care. Further useful refinements can be found in the claims.

Anhand eines schematischen Ausführungsbeispieles wirc: die Erfindung im nachstehenden näher erläutert.The invention is based on a schematic exemplary embodiment explained in more detail below.

Die Zeichnungsfigur zeigt das erfindungsgemäße Prinzip fr die Kühlung eines Fahrmotors und einer Leistungselektronik einer Grubenlokomotive mit zusätzlicher Fahrerhauskühlung.The drawing shows the principle according to the invention for cooling a traction motor and power electronics of a mine locomotive with additional Cab cooling.

Mit 1 ist ein zu kühlender Fahrmotor einer Grubenlokomotive in schlagwettergeschützter, druckfestgekapselter Ausführung und mit 2 eine zugehörige ebenfalls zu kühlende Leistungselektronik, gekapselt in einem druckfesten Gehäuse 3, angedeutet. Eeide noch leistungsaggregate sind an durch Pfeile angedeutete Kältemittelkreisläufige angeschlossen. Die Kühlung erfolgt durch ein Wärmepumpensystem. Für die Leistungselektronik 2 ist ein Verdampfer des Wärmepumpensystems mit in das druckfeste Gehäuse 3 nineinverlegt. Für den Fahrmotor 1 sind Verdampfer 5 und o mit im äußeren Statorgehäuse 7 eingebaut bzw. sind Teil desselben. De Verdampfer 4,5,6 werden über Ventile 8,9 mit einem Kältemittel (z.B. Frigen) versorgt, wobei der Kreislauf von einem Kältemittelkompressor 10 aus über einen Verflüssiger 11 (Wärmeaustauscher) erfolgt. Der Kältemittelkompressor 10 wird über eine Kupplung 12 von einem separaten Motor 13 (handelsüblicher Drehstrommotor, schlagwettergeschützt) angetrieben, der gleichzeitig über einen Ventilator 14 für eine Luftkühlung (Umgebungslufttemperatur z.B. 400C) des Verflüssigers 11 sorgt.- Die Durchführungsanschlüsse 15,16 des Verdampfers 4 im druckfesten Gehäuse-3 sind selbst druckfest. Über die im Ein/Aus-BetrIeb arbeitenden Ventile 8,9 ist die Kälteleintung bzw. die abführbare Verlustleistung für die beiden Kreisläufe getrennt temperaturabhängig regelber (Zweipunktregelung). Die anfallende Wärmeenergie in den Hochleistungsaggregaten wird durch Verdampfen des entspannten flüssigen Kältemittels in den Verdampfern 4,5,6 der Umgebung entzogen. Dem verdampften Kältemittel, das im Kältemittelkompressor 10 erneut verdichtet und verflüssigt wird, wird im Verflüssiger 11 die aufgenommene Wärme über die Luftkühlung durch Ventilator 14 wieder entzogen. Das flüssige Kältemittel gelangt unter Druck bis an die Ventile 8,9 und' von dort entspannt erneut in die Verdampfer.With 1 is a drive motor to be cooled of a mine locomotive in firedamp protected, flameproof version and with 2 an associated also to be cooled Power electronics, encapsulated in a pressure-resistant housing 3, indicated. Oath Power units are still connected to refrigerant circuits indicated by arrows connected. A heat pump system is used for cooling. For power electronics 2, an evaporator of the heat pump system is also installed in the pressure-resistant housing 3. For the traction motor 1, evaporators 5 and o are with im outer stator housing 7 installed or are part of the same. The evaporator 4,5,6 are via valves 8,9 supplied with a refrigerant (e.g. Frigen), the circuit from a refrigerant compressor 10 from a condenser 11 (heat exchanger) takes place. The refrigerant compressor 10 is via a coupling 12 from a separate motor 13 (commercially available three-phase motor, firedamp protected) driven, which at the same time via a fan 14 for air cooling (ambient air temperature e.g. 400C) of the condenser 11 ensures. The lead-through connections 15, 16 of the evaporator 4 are in the pressure-tight housing 3 pressure resistant itself. The cold connection is via the valves 8, 9, which operate in on / off operation or the dissipatable power loss for the two circuits separately temperature-dependent regulator (two-point control). The resulting thermal energy in the high-performance units is made by evaporating the relaxed liquid refrigerant in the evaporators 4,5,6 withdrawn from the environment. The evaporated refrigerant in the refrigerant compressor 10 is again compressed and liquefied, in the liquefier 11 the received Heat is withdrawn again via the air cooling by the fan 14. The liquid refrigerant reaches the valves 8,9 under pressure and 'from there relaxed again into the Evaporator.

Nur relativ selten wird einer Grubenlokomotive die volle Leistung abverlangt. Meist wird rangiert und mit kleinerer Geschwindigkeit gefahren. Das bedeutet, daß in den meisten Fällen die für volle Kälteleistung ausgelegte und betriebene Kühlanlage nicht voll gebraucht wird. Der Kompressormotor 13 kann intermittierend betrieben werden,oder es wird in disr Zeit die zur Verfügung stehende Kälteleistung anderweitig ausgenutzt, beispielsweise für eine Fahrerhausklimatisierung. In der Zeichnungsfigur ist dazu gestrichelt noch ein weiterer Kreislauf tWr eine solche zusätzliche Klimatisierung des Fahrerhauses ange- -deutet. Mit 18 ist der dort erforderliche zusätzliche Verdampfer und mit 19 das SteLlventil bezeichnet. Dabei kann die Anordnung so getroffen sein, dan das Stellventil 19 nur öffnet, wenn ein Überschuß an Kälteleistung gegenüber dem Wärmeanfall in den Hoch leistungsaggregaten 1,2 zur Verfügung steht. Bei voller geforderter Zugleistung ist das Stellventil 19 geschlossen.Only relatively rarely does a mine locomotive achieve full power demanded. Most of the time it is maneuvered and driven at a lower speed. That means that in most cases for full cooling capacity designed and operated cooling system is not fully used. The compressor motor 13 can be operated intermittently, or it will be available in disr time standing cooling capacity is used for other purposes, for example for air conditioning in the driver's cab. In addition, another circuit tWr a is shown in dashed lines in the drawing such additional air conditioning of the driver's cab indicated. At 18 he is there required additional evaporator and 19 denotes the control valve. The arrangement can be made so that the control valve 19 opens only when an excess of cooling capacity compared to the heat generated in the high-performance units 1.2 is available. The control valve is at full required pulling power 19 closed.

10 Patentansprüche 6 Seiten Beschreibung Leerseite10 claims 6 pages of description Blank page

Claims (10)

P a t e n t a n s p r ü c h e: 1. Kühlsystem für raumkritisch unterbringbare Hochleistungsaggregate, vorzugsweise bei Einrichtungen in schlagwettergefährdeter Umgebung, insbesondere in bergbau- oder Grubenlokotnotiven, dadurch gekennzeichnet, daß die anfallende Verlustwärme über ein Wärmepumpensystem abgeführt wird, von dem ausschließlich der Verdampfer (4 bzw. 5,6) am Ort des Wärmeanfalls m Hochleistungsaggregat oder innerhalb einer gegebenerfalls vorhandenen, umhüllenden, druckfesten Kapselung (3) untergebracht ist. P a t e n t a n s p r ü c h e: 1. Cooling system for space-critical accomodations High-performance units, preferably for facilities in firedamp-prone locations Environment, especially in mining or mine locomotives, characterized in that that the resulting heat loss is dissipated via a heat pump system from which only the evaporator (4 or 5,6) at the location of the heat build-up in the high-performance unit or within a possibly existing, enveloping, pressure-resistant encapsulation (3) is housed. 2. Kühlsystem nach Anspruch 1 für Fahrmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfer (5,6) in sich axial erstreckenden Hohlräumen des äußeren Statorgehäuses (7) des Fahrmotors (1) untergebracht sind.2. Cooling system according to claim 1 for traction motors, characterized in that that the evaporator (5,6) in axially extending cavities of the outer stator housing (7) of the drive motor (1) are housed. 3. Kühlsystem nach Anspruch 1 oder 2 für Fahrmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß das Statorgehäuse (7; d's Fahrmotors (1) von Rohren für ein Kältemittel durchzogen und selbst als Verdampfer ausgebildet ist.3. Cooling system according to claim 1 or 2 for traction motors, characterized in that that the stator housing (7; d's traction motor (1) is traversed by pipes for a refrigerant and is designed as an evaporator itself. 4. Kühlsystem nach Anspruch 1 für Leistungselektronik, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (4) mit im druckfesten Gerätekasten (3) der Elektronik untergebracht ist.4. Cooling system according to claim 1 for power electronics, characterized in that that the evaporator (4) is housed in the pressure-tight device box (3) of the electronics is. 5 Kühlsystem nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchführungen (15,16) und/oder Anschlüsse der Verdampfer (4) durch die Gehäuse (3) oder-Kapselungen der Aggregate, sofern Schutzzonen durchdrungen werden, selbst druckfest sind.5 cooling system according to claims 1 to 4, characterized in that that the bushings (15,16) and / or connections of the evaporator (4) through the Housing (3) or encapsulation of the units, provided that protection zones are penetrated, are pressure-resistant themselves. 6. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,.dadurch gekennzeichnet, daß für die Fahrmotoren (1) und die Leistungselektronik (2) ein gemeinsamer Kältemittelkreislauf mit in Reihe geschalteten Verdampfern (4,5,6) vorgesehen ist.6. Cooling system according to one of the preceding claims, characterized. that a common refrigerant circuit for the traction motors (1) and the power electronics (2) with series-connected evaporators (4,5,6) is provided. 7. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrmotoren (1) und die Leistungselektronik (2) parallelgeschaltete Kältemittelkreisläufe aufweisen, die einzeln steuerbar (Ventile 8,9) sind.7. Cooling system according to one of the preceding claims, characterized in that that the traction motors (1) and the power electronics (2) refrigerant circuits connected in parallel have that are individually controllable (valves 8, 9). 8. Kühlsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kälteleistung der einzelnen Kreisläufe über die Ventile (8,9) iri tempL-c-iLurnbhängiger Zweipunktregelung einstellbar ist.8. Cooling system according to claim 7, characterized in that the cooling capacity of the individual circuits via the valves (8, 9) iri tempL-c-iLurn-dependent two-point control is adjustable. 9. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kältemittelkompressor (10), sein Antrieb tl2,13) sowie der Verflüssiger (11) des Wärmepumpen systems an Orte geringeren Raumbedarf innerhalb oder außerhalb der Lokomotive verlagert sind.9. Cooling system according to one of the preceding claims, characterized in that that the refrigerant compressor (10), its drive tl2,13) and the condenser (11) of the heat pump system in places where less space is required inside or outside the locomotive has been relocated. 10. Kühlsystem nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Sytem, insbesondere der Kältemittelkompressor (10) für maximale Verlustleistung der Hochleistungsaggregate ausgelegt und betrieben ist, wobei in Perioden geringerer Kälteleistungsanforderung zusätzliche Kältemittelkreisläufe, z.B. für Fahrerhausklimatlsierung anschließbar sind.10. Cooling system according to claims 1 to 9, characterized in that that the system, in particular the refrigerant compressor (10) for maximum power loss the high-performance aggregates are designed and operated, with less periods Cooling capacity requirement for additional refrigerant circuits, e.g. for air conditioning in the driver's cab are connectable.