DE4225723A1 - Leistungswiderstand für Flüssigkeitskühlung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Leistungswiderstand für Flüssigkeitskühlung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und kann z. B. als brauchwassergekühlter Beschaltungs- oder Bremswiderstand bei einem elektrischen Schienenfahr­ zeug mit stromrichtergespeistem Antrieb verwendet werden.

Ein derartiger Leistungswiderstand für Flüssigkeitskühlung ist aus der DE 39 35 956 A1 bekannt. Dort wird eine Anord­ nung mit zwangsgekühltem, elektrischem Leistungswiderstand vorgeschlagen, bei der die Verlustleistung mittels Siede- oder Flüssigkeitskühlung abführbar ist. Der Leistungswider­ stand weist ein flaches, ebenes, metallisches Widerstandse­ lement mit mindestens zwei elektrischen Anschlüssen auf. Das Widerstandselement ist aus einem blechförmigen Werk­ stoff mit einem hohen spezifischen elektrischen Widerstand gebildet und über eine elektrisch isolierende, jedoch gut wärmeleitende Zwischenlage mit mindestens einem elektrisch leitenden Flüssigkeitskühlkörper druckkontaktiert. Zur doppelseitigen Kühlung kann das Widerstandselement zwischen zwei Flüssigkeitskühlkörpern eingespannt sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Leistungs­ widerstand für Flüssigkeitskühlung der eingangs genannten Art anzugeben, der universell für unterschiedliche Lei­ stungsklassen aus gleichartigen Grundbausteinen zusammenge­ stellt werden kann.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbe­ sondere darin, daß ein Leistungswiderstand mit Flachkühler für Brauchwasserkühlung geschaffen wird, dessen ohmscher Widerstandswert und dessen Leistungsklasse unter Einsatz von beliebig vielen, jeweils gleichen Baueinheiten in der Art eines Baukastensystems variierbar ist. Die Leistungs­ dichte des kompakten Leistungswiderstandes ist sehr groß, da eine intensive, großflächige Kühlung der wärmeproduzie­ renden Widerstandselemente sichergestellt ist. Der Lei­ stungswiderstand weist im einfachsten Fall bei kleiner Lei­ stungsklasse einen Flachkühler mit lediglich zwei Flachge­ häusen auf, wobei das Widerstandselement im zwischen den beiden Flachgehäusen gebildeten Zwischenraum angeordnet ist. Bei hoher Leistungsklasse sind beispielsweise sechs oder mehr Flachgehäuse zu einem Flachkühler gestapelt, wo­ bei sich Widerstandselemente in jedem Zwischenraum zwischen zwei Flachgehäusen befinden. Durch diese Baukastentechnik kann wechselnden Anforderungen und unterschiedlichen Anwen­ dungen entsprochen werden. Gleichzeitig werden die Kosten für Planung, Herstellung, Lagerhaltung und Ersatzteilbevor­ ratung gesenkt.

Da die Widerstandselemente lediglich mittels Isolierplatten von den metallenen, geerdeten Flachgehäusen isoliert werden müssen - wobei die Isolierplatten dünnwandig ausgestaltet und nur auf Druck und nicht auf Zug beansprucht werden und hohe Preßkräfte möglich sind - werden niedrige Wärmeüber­ gangswiderstände zwischen den wärmeproduzierenden Wider­ standselementen und der Kühlflüssigkeit - vorzugsweise Brauchwasser mit Frostschutzmittel - erzielbar, wodurch die hohe Leistungsfähigkeit, Leistungsdichte und Kompaktheit des Leistungswiderstandes sowohl für relativ kleine als auch für relativ große Leistungen begründet ist. Der Lei­ stungswiderstand eignet sich insbesondere durch seine Rüt­ telsicherheit, sein geringes Gewicht und seinen geringen Raumbedarf für den Einsatz bei Schienenfahrzeugen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Leistungswider­ stand mit Flachkühler für Brauchwasser­ kühlung,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Flach­ gehäuses mit Flüssigkeitsleitblech,

Fig. 3, 4 Ansichten eines aus mehreren Flachgehäu­ sen aufgebauten Flachkühlers,

Fig. 5 die interne elektrische Verschaltung des Leistungswiderstandes,

Fig. 6 einen Leistungswiderstand mit lediglich zwei Flachgehäusen,

Fig. 7 die hydraulische Anschlußseite der Vari­ ante gemäß Fig. 6,

Fig. 8 die Widerstandsblechplatten der Variante gemäß Fig. 6,

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht der Variante gemäß Fig. 6.

In Fig. 1 ist ein Schnitt durch einen Leistungswiderstand mit Flachkühler für Brauchwasserkühlung dargestellt. Es sind mehrere übereinandergestapelte Flachgehäuse 1a . . . 1f zu erkennen, wobei jeweils im zwischen zwei Flachgehäusen 1a . . . 1f gebildeten Zwischenraum 2a . . . 2e ein Widerstandse­ lement in Form einer oder mehrerer mäandrierter Wider­ standsblechplatten (gestanzter Flachbandwiderstand) 3, 4 angeordnet ist. Zwischen jeder Widerstandsblechplatte 3 bzw. 4 und einem Flachgehäuse 1a . . . 1f befindet sich eine Isolierplatte 5a bzw. 5b, während zwei bifilare Wider­ standsblechplatten 3, 4 durch eine Isolierplatte 6 elek­ trisch voneinander getrennt sind. Die Isolierplatten 5a, 5b sind relativ dünnwandig ausgebildet, um einerseits die elektrische Isolation zwischen den auf Erdpotential liegen­ den Flachgehäusen und den Widerstandsblechplatten sicherzu­ stellen und andererseits einen guten Wärmeübergang von den Widerstandsblechplatten zu den Flachgehäusen zu ermögli­ chen. Als Material für die Isolierplatten 5a, 5b dient z. B. Keramik, Glimmer oder PPS-Kunststoff. Vorzugsweise ist zwi­ schen den Isolierplatten 5a, 5b und den Flachgehäusen zu­ sätzlich noch eine dünne Kunststoffolie angeordnet. Die Isolierplatte 6 hat keine Wärmeübertragungsfunktion, son­ dern lediglich eine elektrische Isolierfunktion und besteht beispielsweise aus einem hitzebeständigem Kunststoff.

Jedes Flachgehäuse 1a . . . 1f besteht aus zwei spiegelbild­ lich geformten Druckblechen 7, 8, wobei die Druckbleche an ihren Außenkanten flüssigkeitsdicht miteinander verbunden sind, beispielsweise über eine Rollnahtschweißung 9. Die Druckbleche 7, 8 bestehen beispielsweise aus Edelstahl-, Aluminium- oder Messingblech. Jedes Flachgehäuse 1a . . . 1f weist zwei sich an gegenüberliegenden Seiten befindende Kühlflüssigkeitssammelräume 10 und 11 (Querkanäle, siehe auch Fig. 2) auf. Diese beiden Kühlflüssigkeitssammelräume 10, 11 sind über einen großflächigen, jedoch sehr schmalen Flachkanal 12 bzw. einer Vielzahl von parallelen Flachkanä­ len miteinander verbunden.

Jeder Kühlflüssigkeitssammelraum 10, 11 weist neben den An­ schlußöffnungen zu den Flachkanälen mindestens zwei zusätz­ liche Öffnungen 13, 14, 15, 16 auf, wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist. Diese Öffnungen 13 bis 16 dienen zum Ein- und Austritt und zur Führung der Kühlflüssigkeit innerhalb des aus mehreren gestapelten Flachgehäusen beste­ henden Flachkühlers. Diejenigen Öffnungen 13 bis 16 von zwei benachbarten Sammelräumen 10, 11, die sich innerhalb des Flachkühlers jeweils direkt gegenüberliegen und derart einen Flüssigkeitsdurchlaß bilden, sind über Dichtringe 17 nach außen und zu den Zwischenräumen 2a . . . 2e hin abge­ dichtet. Mindestens eine nach außen gerichtete Öffnung dient zum Einlauf der Kühlflüssigkeit und ist deshalb mit einem Flüssigkeitszulaufstutzen 18 versehen. Mindestens eine weitere, nach außen gerichtete Öffnung dient zum Ab­ lauf der Kühlflüssigkeit und ist deshalb mit einem Flüssig­ keitsablauf stutzen versehen. Die weiteren nach außen ge­ richteten Öffnungen sind mittels Deckel verschlossen, wobei wiederum eine hydraulische Abdichtung über Dichtringe 17 erfolgt. Alternativ kann anstelle der Dichtringe 17 auch eine Lötabdichtung verwendet werden.

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, verläuft die Kühlflüssigkeitsströmung vom Flüssigkeitszulaufstutzen 18 in die Kühlflüssigkeitssammelräume 10 - wobei die ein­ zelnen Kühlflüssigkeitssammelräume 10 über Öffnungen 13, 14 miteinander verbunden sind - und von dort über die Flachka­ näle 12 zu den Kühlflüssigkeitssammelräumen 11. Beim Durch­ strömen der Flachkanäle 12 nimmt die Kühlflüssigkeit die von den Widerstandsblechplatten 3, 4 während des Betriebes produzierte Wärmeenergie über die relativ großen Hauptflä­ chen der Flachkanäle 12 auf. Die erwärmte Kühlflüssigkeit strömt von den Kühlflüssigkeitssammelräumen 11 über die Öffnungen 15, 16 zum Flüssigkeitsablaufstutzen. Die Flach­ kanäle 12 sind vorzugsweise wesentlich schmaler als der Zwischenraum 2a . . . 2e zwischen zwei Flachgehäusen 1a . . . 1f.

Zur Leistungserhöhung oder bei leistungsstarken Flachküh­ lern mit relativ vielen Flachgehäusen können mehrere nach außen gerichtete Öffnungen eines Kühlflüssigkeitssammelrau­ mes 10 mit Flüssigkeitszulaufstutzen 18 und mehrere nach außen gerichteten Öffnungen eines Kühlflüssigkeitssammel­ raumes 11 mit Flüssigkeitsablaufstutzen versehen sein.

Um eine gleichmäßige Kühlflüssigkeitsströmung innerhalb der Flachgehäuse 12 bei vergrößerter Wärmeübergangsfläche zu erzielen, befinden sich gemäß einer ersten Variante Flüs­ sigkeitsleitbleche 21 innerhalb eines jeden Flachkanales 12. Diese Flüssigkeitsleitbleche 21 weisen Leitstege 22 auf, die jeweils parallel zur Verbindung zwischen den Kühlflüssigkeitssammelräumen 10, 11 (Querkanäle) verlaufen und zwischen denen Längskanäle 23 von einem Kühlflüssig­ keitssammelraum zum anderen gebildet werden.

Bei einer zweiten Variante des Flachkühlers kann auf die Flüssigkeitsleitbleche 21 mit Leitstegen 22 und Längskanä­ len 23 verzichtet werden, wenn statt dessen die Druckbleche 7, 8 selbst mit entsprechenden Einprägungen versehen sind, durch die Längskanäle zur Kühlflüssigkeitsführung geschaf­ fen werden.

Die einzelnen Flachgehäuse 1a . . . 1f mit den Widerstands­ blechplatten 3, 4 in den Zwischenräumen 2a . . . 2e können durch äußere Spannplatten 22, 23 zusammengepreßt werden, wodurch unter anderem die hydraulische Abdichtung zwischen den einander zugewandten Öffnungen und der geringe Wärmewi­ derstand zwischen Widerstandselementen und Kühlflüssigkeit sichergestellt ist. Die Spannplatten 22, 23 sind dabei je­ weils der Formgebung der Flachgehäuse angepaßt und weisen z. B. Aussparungen für den Flüssigkeitszulaufstutzen 18 und den Flüssigkeitsablaufstutzen auf bzw. bilden selbst die Stutzen, wobei eine Abdichtung gegenüber den Druckblechen wiederum über Dichtringe 17 erfolgt. Es besteht auch bei hohen Preßkräften keine Bruchgefahr für die Isolierplatten und sonstigen Baueinheiten. Vorteilhaft wird der Wärmeüber­ gang von den Widerstandsblechplatten zur Kühlflüssigkeit durch die Vorpreßkräfte optimiert, da störende, wärmeiso­ lierende Luftstrecken zwischen der Schichtfolge Wider­ standsblechplatte/Isolierplatte/Druckblech mit Sicherheit verhindert werden. Als Spannvorrichtung können beispiels­ weise Verschraubungen im Peripheriebereich der Spannplatten 22, 23 eingesetzt sein.

Die Spannplatten 22, 23 sind vorzugsweise jeweils bombiert, so daß insbesondere auch in der Mitte des Flachkühlers noch genügend Spannkraft zum Zusammenpressen der Schichtfolge Flachkühler/Isolierplatte/Widerstandsblechplatte/Isolier­ platte/Flachkühler usw. auftritt. Dabei verhindern die Flüssigkeitsleitbleche 21 oder die vorstehend erwähnten Einprägungen vorteilhaft ein unzulässiges Zusammendrücken und damit eine Querschnittsverengung der Flachkanäle 12.

Alternativ zur vorstehend beschriebenen Spannplatten-Vari­ ante ist es bei einer Flachkühler-Variante mit Lötabdich­ tung anstelle der Dichtringe 17 auch möglich, auf den Ein­ satz von Spannplatten ganz zu verzichten, falls dies bei­ spielsweise beengte Raumverhältnisse am Einbauort erfor­ dern.

Um verlängerte Kriechwege zwischen den einzelnen geerdeten Flachgehäusen oder dem Flachkühler und Erde zu bilden, ist der Leistungswiderstand mit Flachkühler zweckmäßig mit einem Außenumguß 24 aus Epoxydharz oder Silikon umgossen, wobei zusätzliche Rippen zur Kriechwegverlängerung des Umgusses dienen können.

In Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Flachge­ häuses mit Flüssigkeitsleitblech dargestellt. Es ist ein aus zwei Druckblechen 7, 8 aufgebautes Flachgehäuse zu er­ kennen, wobei ein Flüssigkeitsleitblech 21 zwischen beiden Druckblechen eingelegt ist. Durch die Leitstege 22 des Flüssigkeitsleitbleches 21 werden Längskanäle 23 geschaf­ fen, die vom Kühlflüssigkeitssammelraum 10 zum weiteren Kühlflüssigkeitssammelraum 11 verlaufen und hierdurch den Flachkanal 12 in einzelne Strömungspfade aufteilen. Ferner sind die für den Kühlflüssigkeitstransport notwendigen Öff­ nungen 13 bis 16 zu erkennen.

In den Fig. 3 und 4 sind Ansichten eines aus mehreren Flachgehäusen aufgebauten leistungsstarken Flachkühlers dargestellt. In Fig. 3 sind die zur Aufnahme der Wider­ standselemente geeigneten Zwischenräume 2a . . . 2e zwischen den Flachgehäusen 1a . . . 1f sowie die Kühlflüssigkeitssam­ melräume 10, 11 zu erkennen. Da die Zwischenräume 2a . . . 2e bis zur Verschließung durch den Außenumguß 24 seitlich of­ fen sind, ist die elektrische Verschaltbarkeit der einzel­ nen Widerstandsblechplatten in einfacher Weise gewährlei­ stet. Fig. 4 zeigt den jeweils über die gesamte Breite der Flachgehäuse 1a . . . 1f verlaufenden Kühlflüssigkeitssammel­ raum 10 (Querkanal). Die äußeren Rollnahtschweißungen 9 der Flachgehäuse sind jeweils angedeutet.

In Fig. 5 ist die interne elektrische Verschaltung des Leistungswiderstandes dargestellt. Es ist zu erkennen, daß die Widerstandsblechplatten 3, 4 außerhalb der Räume 2a . . . teilweise über Brücken 25 miteinander verbunden sind. Die beiden äußeren Widerstandsblechplatten bilden externe elek­ trische Anschlüsse 26. Die elektrische Isolierung der Brücken 25 und Anschlüsse 26 erfolgt durch den Außenumguß 24.

In Fig. 6 ist ein Leistungswiderstand mit lediglich zwei Flachgehäusen 1a, 1b und einem zwischen beiden Flachgehäu­ sen gebildeten Zwischenraum 2a dargestellt. Im Zwischenraum 2a befinden sich wiederum zwei mittels einer Isolierplatte 6 voneinander getrennte Widerstandsblechplatten 3, 4, die über elektrische Anschlüsse 26 extern kontaktierbar sind. Die Widerstandsblechplatten 3, 4 sind gegenüber den Druck­ blechen 7, 8 wiederum über Isolierplatten 5a, 5b und zu­ sätzlichen sehr dünnen Isolierfolien elektrisch isoliert. Die für den Kühlflüssigkeitstransport geeigneten Kühlflüs­ sigkeitssammelräume 10a, 10b und Flachkanäle 12a, 12b sind gezeigt. Nuten 27 dienen zur Aufnahme von Dichtringen und damit zur hydraulischen Abdichtung des Leistungswiderstan­ des gegenüber einer externen Kühlschiene. Der Außenumguß 24 ist zur Kriechwegverlängerung mit Rippen versehen und isoliert die elektrischen Anschlüsse 26.

In Fig. 7 ist die hydraulische Anschlußseite des Lei­ stungswiderstandes der Variante gemäß Fig. 6 dargestellt. Es sind vier jeweils von Nuten 27 umschlossene Öffnungen 28, 29, 30, 31 zu erkennen, die zum hydraulischen Anschluß des Leistungswiderstandes an eine Kühlschiene dienen. Der Kühlflüssigkeitszulauf erfolgt über die Öffnung 28 zum Kühlflüssigkeitssammelraum 10a (siehe auch Fig. 5 und 9), von dort über den Flachkanal 12a zum Kühlflüssigkeits­ sammelraum 11a (siehe Fig. 9), von dort über die Öffnung 29 über einen externen Kanal zur Öffnung 30, von dort über einen weiteren Kühlflüssigkeitssammelraum und den Flachka­ nal 12b zum Kühlflüssigkeitssammelraum 10b und von dort zur Öffnung 31, die als Flüssigkeitsablauf dient.

In Fig. 8 sind die Widerstandsblechplatten 3, 4 der Vari­ ante gemäß Fig. 6 dargestellt. Es sind insbesondere die mäandrierte Formgebung, die Faltung und die externen elek­ trischen Anschlüsse 26 zu erkennen, wobei die vorstehend erwähnten Isolierplatten 6 zwischen den gefalteten Wider­ standsblechplatten 3, 4 eingelegt sind.

In Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht eines geöffne­ ten Leistungswiderstandes der Variante gemäß Fig. 6 darge­ stellt. Es sind die jeweils aus Druckblechen 7, 8 gebilde­ ten beiden Flachgehäuse 1a, 1b zu erkennen, wobei das einen Deckel bildende Druckblech 7 des Flachgehäuses 1a entfernt ist, um einen Einblick in die Kühlflüssigkeitssammelräume 10a, 11a und den Flachkanal 12a zu zeigen. Da die Kühlflüssigkeitssammelkanäle 10a, 11a sich nicht gegenüber­ liegen, sondern vielmehr nebeneinanderliegend angeordnet sind, ist ein Steg 33 zur Bildung des Flachkanals 12a vor­ gesehen. Das Flüssigkeitsleitblech 21 des Flachkanals 12a ist zur Vergrößerung der bei der Wärmeübertragung wirksamen Oberfläche mit einer noppenartigen Struktur versehen. Eine zum Einlegen eines Dichtringes geeignete Nut 32 dient zur hydraulischen Abdichtung des Deckels des Flachgehäuses 1a. Die externen elektrischen Anschlüsse 26 der im Raum 2a be­ findlichen Widerstandsblechplatten sind zu erkennen.

Claims (12)

1. Leistungswiderstand für Flüssigkeitskühlung, bei dem mindestens ein Widerstandselement über Isolierplatten zwischen zwei metallischen Flachgehäusen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - jedes Flachgehäuse (1a . . . 1f) zwei interne Kühlflüs­ sigkeitssammelräume (10, 10a, 10b, 11, 11a) aufweist und ein Flachkanal (12, 12a, 12b) beide Kühlflüssigkeits­ sammelräume miteinander verbindet,
• - daß die Kühlflüssigkeitssammelkanäle (10, 10a, 10b, 11, 11a) Öffnungen (13 bis 16, 28 bis 31) für den Flüssigkeitszulauf und -ablauf aufweisen,
• - und daß sich jeweils mindestens ein Widerstandsele­ ment (3, 4) im zwischen zwei Flachgehäusen gebildeten Zwischenraum (2a . . . 2e) befindet und in Wärmekontakt mit dem Flachkanal (12, 12a, 12b) steht.

2. Leistungswiderstand nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abdichtung zwischen den Öffnungen (13 bis 16, 28 bis 31) der Kühlflüssigkeitssammelräume (10, 10a, 10b, 11, 11a) über Dichtringe erfolgt.

3. Leistungswiderstand nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abdichtung zwischen den Öffnungen (13 bis 16) der Kühlflüssigkeitssammelräume (10, 11) über Lötabdichtung erfolgt.

4. Leistungswiderstand nach wenigstens einem der An­ sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Flachge­ häuse (1a . . . 1f) aus zwei Druckplatten (7, 8) besteht, deren Außenkanten über Rollnahtschweißung miteinander verbunden sind.

5. Leistungswiderstand nach wenigstens einem der An­ sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine nach außen gerichtete Öffnung eines Kühlflüssigkeits­ sammelraumes (10) mit einem Flüssigkeitszulaufstutzen (18), mindestens eine nach außen gerichtete Öffnung eines Kühl­ flüssigkeitssammelraumes (11) mit einem Flüssigkeitsablauf­ stutzen und die nicht benötigten nach außen gerichteten Öffnungen der Kühlflüssigkeitssammelräume (10, 11) mit einem Deckel (20) versehen sind.

6. Leistungswiderstand nach wenigstens einem der An­ sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Flachkanal (12, 12a, 12b) mit einem Flüssigkeitsleitblech (21) versehen ist, das durch Leitstege (22) mehrere Längskanäle (23) bil­ det.

7. Leistungswiderstand nach wenigstens einem der An­ sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Flachkanal (12, 12a, 12b) Einprägungen zur Vergrößerung der Wärmeüber­ gangsfläche unter Bildung von Längskanälen aufweist.

8. Leistungswiderstand nach wenigstens einem der An­ sprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachge­ häuse 1a . . . 1f) mittels Spannplatten (22, 23) zusammenge­ preßt werden.

9. Leistungswiderstand nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Spannplatten (22, 23) bombiert sind.

10. Leistungswiderstand nach wenigstens einem der An­ sprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein der elek­ trischen Isolierung und Kriechwegverlängerung dienender Au­ ßenumguß (24) die Flachgehäuse (1a . . . 1f) umschließt.

11. Leistungswiderstand nach wenigstens einem der An­ sprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüs­ sigkeitssammelräume (10, 11) an sich gegenüberliegenden Sei­ ten angeordnet sind.

12. Leistungswiderstand nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeitssammelräume (10, 11) sich direkt gegenüberliegende Öffnungen (13 bis 16) für einen Flüssigkeitsdurchlaß zwischen benachbarten Flachge­ häusen aufweisen.