DE4243090C1 - Distanzelement - Google Patents

Description

Um eine verbesserte Ausnutzung von Spulen für Drosseln oder Transformatoren zu erzielen, ist es bekannt, die Spule mit einem Medium zu kühlen. Dazu werden in die Wicklung der Spule Distanzelemente eingefügt, welche Kühlkanäle bilden. Durch die Kühlkanäle kann das Kühlmedium strömen. Die Distanzelemente sind üblicherweise als Leisten aus Preßspan ausgebildet und dabei derart bemessen, daß ein möglichst großer Anteil der Leiteroberfläche in Kontakt mit dem Kühlmedium steht.

In der Vergangenheit hat es mehrfach Vorschläge gegeben, den Wärmeübergang in den Kühlkanälen zu verbessern. Aus der DE-OS 23 16 830 ist es beispielsweise bekannt, in die Kühl­ kanäle wirbelerzeugende Elemente einzubringen, welche Tur­ bulenzen in der Strömung des Kühlmediums erzeugen. Diese Turbulenzen erzeugen einen verbesserten Wärmeübergang vom Leiter der Spule auf das Kühlmedium. Die wirbelerzeugenden Elemente können dabei auch mit den Distanzleisten eine Bau­ einheit bilden. Diese Methode ist jedoch nur sehr begrenzt einsetzbar, da die Strömung des Mediums stark gebremst wird.

Aus der DE-OS 30 36 230 ist ein Distanzelement bekannt, das zur verbesserten Wärmeabfuhr als gewelltes Wärmeleitblech ausgebildet ist. Die US-PS 3,195,084 offenbart ein Distanzelement, das als Hohlkörper aus Metall ausgebildet ist. Das deutsche Gebrauchsmuster 71 39 066 zeigt ein leistenartiges Distanz­ element, das zur besseren Verarbeitung auf einer biegsamen Bahn angeordnet ist. Das Element selbst kann aus Metall oder aus Kunststoff gefertigt sein. Diese Distanzelemente haben gemein, daß ihre wirksame Kühlfläche im wesentlichen in einer Ebene entlang der Kühlmittelströmung liegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wärmeübergang zum Kühlmedium in einem mit Kühlkanälen bildenden Distanz­ elementen versehenen Bauteil zu verbessern.

Die Lösung der Aufgabe gelingt mit den Merkmalen des An­ spruchs 1.

Ausgehend von den bekannten Distanzleisten ging der Erfin­ der einen anderen Weg, der zu der erfindungsgemäßen Lösung führte. Die nachfolgenden Vorteile werden beispielhaft an­ hand der Anwendung bei einer Spule näher erläutert. Die Spule ist dabei bevorzugtes Teil eines Hochspannungstrans­ formators. Das Bauteil kann jedoch auch z. B. als Wider­ stand oder Kondensator ausgebildet sein.

Bei den bekannten Distanzleisten wird ca. 25% der Leiter­ fläche abgedeckt, die dadurch nicht gekühlt werden kann. Durch Ausbildung des Distanzelements als Kühlelement kann diese Bauteiloberfläche mit in den Kühlprozeß eingeschlos­ sen werden. Die Kühlung der Spule wird gleichmäßiger. Die Bildung von Heißstellen ist erheblich vermindert. Die Kühlwirkung kann erhöht werden, in dem die dem Kühlmedium zugewandte Kühlfläche groß gegenüber der den Leitern der Spule anliegenden Flächen ist. Bevorzugt wird die Kühl­ fläche durch eine Formgebung vergrößert. Dies kann jedoch auch durch die Materialeigenschaften, z. B. durch eine poröse Oberfläche, gegeben sein.

Eine weitere Steigerung der Kühlwirkung kann dadurch er­ zielt werden, daß das Distanzelement einen erhöhten Wärme­ leitwert gegenüber einem herkömmlichen Distanzelement auf­ weist. Bevorzugt eignen sich dafür die Materialien Keramik, Glas, Epoxydharz oder ein sonstiger wärmeleiten­ der Nichtleiter.

Zur einfacheren Verarbeitung können Einzelkühlelemente vorgesehen sein, welche auf einem Trägermaterial unter Bildung von Kühlmittelpfaden angeordnet sind. Ein solches mattenartiges Distanzelement läßt sich besonders einfach verarbeiten, wobei die Kühlkanäle als vernetzte Kühl­ mittelpfade ausgebildet sind. Dies hat eine erhöhte Ver­ wirbelung des Kühlmediums und dadurch eine nochmals ver­ besserte Kühlwirkung zur Folge. Durch eine strukturierte Oberfläche des Distanzelements kann ebenfalls eine Ver­ wirbelung des Kühlmediums erzielt werden.

Gegebenenfalls kann das Distanzelement mit einem ansich bekannten Sensor zur Temperaturerfassung versehen sein. Ein derartiges Kühlelement leistet auf diese Weise zusätzlich zur Kühl­ aufgabe auch noch einen Beitrag zur Steuerung und Über­ wachung der Spule. Gegenüber einer herkömmlichen Tempera­ turmessung in einer Spule liefert nun ein temperiertes Bauteil der Spule ein Temperatursignal. Bevorzugt kann die Erfassung mit Hilfe eines Lichtleiters erfolgen, der als Sensor im Distanzelement integriert ist und gegebenenfalls die Temperatur über die volle Länge des Distanzelements ortsabhängig erfaßt. Dadurch kann beispielsweise eine hot-spot-Messung entlang einer radialen oder auch axialen Richtung innerhalb einer Spule erzielt werden. Der Sensor ist dabei, gegebenenfalls ebenfalls über einen Lichtlei­ ter, mit einer Einrichtung zur Temperaturüberwachung- und -signalisierung, sowie mit weiteren steuer- und regeltech­ nischen Einrichtungen für die Spule verbunden. Es kann dabei zweckmäßig sein, den Kühlkreislauf oder auch den elektrischen Betrieb der Spule in Abhängigkeit von der erfaßten Temperatur zu betreiben. Dies kann nach allgemein bekannten Regelmethoden erfolgen oder auch nach gewichte­ ten Gesichtspunkten mit Hilfe einer Fuzzy-Regelung. Bei Verwendung mehrerer Sensoren ist eine geeignete Auswahl der Signale, beispielsweise ebenfalls nach gewichteten Ge­ sichtspunkten, erforderlich.

Eine vorteilhafte Anwendung des Distanzelements ist bei einer elektrischen Spule gemäß Anspruch 6 gegeben. Die Spule weist ge­ genüber einer herkömmlichen Spule eine verbesserte Kühl­ wirkung auf. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen sowie in Verbindung mit dem obengenannten Distanzelement und den dort bereits er­ wähnten Vorteilen.

Die Spule wird bevorzugt mit einem flüssigen oder gas­ förmigen Kühlmedium, insbesondere Öl oder SF6, gekühlt. Diese Kühlmittel lassen insbesondere unter Verwendung eines geregelten Kühlkreislaufes eine besonders günstige Kühlwirkung erwarten. Die Spule kann dabei zumindest teilweise mit Gießharz vergossen sein und eine Wicklung eines Transformators bilden.

Die Erfindung und weitere Vorteile werden nachfolgend an­ hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Distanzelemente nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 ein erstes neues Distanzelement;

Fig. 3 bis 5 und 8 weitere neue Distanzelemente und

Fig. 6 und 7 Distanzelemente im Querschnitt.

Fig. 1 zeigt zwei Distanzelemente 1a, 1b, wie sie nach dem Stand der Technik bei Spulen für Drosseln oder Transfor­ matoren verwendet werden. Es sind dabei Leiter einer Spule im Schnitt gezeigt, wobei die erste Gruppe von Leitern 3a eine erste und die zweite Gruppe von Leitern 3b eine zweite Scheibenspule bilden. Das als Radialbeilage 1a ausgebildete Distanzelement ermöglicht einen radialen Kühlmittelstrom 5a, während eine Axialleiste 1b einen axialen Kühlmittelstrom 5b ermöglicht. In der Regel sind diese Leisten derart bemessen, daß von ihnen möglichst wenig Leiteroberfläche bedeckt ist, wobei jedoch gleich­ zeitig eine möglichst hohe mechanische Festigkeit des gesamten Aufbaus gegeben sein muß, was zu einer größeren Bemessung der Distanzelemente 1a, 1b führt.

In der Fig. 2 ist eine mögliche Ausführung des neuen Distanzelements in einer Draufsicht gezeigt. 8a stellt dabei eine Leiteranordnung einer Spule (z. B. eine Scheibenspule) dar, die gekühlt werden soll. Die Darstellung gilt sinngemäß für eine axiale als auch radiale oder sonstige Anordnung. Die Distanzelemente 10a sind dabei derart ausgebildet, daß ihre dem Kühlmedium zugewandte Flächen ein Vielfaches der an der Leiteranordnung 8a anliegenden Flächen betragen. Sie wirken dabei als Kühlkörper. Im vor­ liegenden Beispiel wird dies durch die Formgebung der Distanzelemente 10a erzielt. Dabei wird ein Distanzelement herkömmlicher Form in Quader 13a (ggf. auch in Würfel oder Scheiben) geteilt, welche gegeneinander versetzt angeord­ net sind, wobei unter Beibehaltung der Auflagefläche zur Leiteranordnung 8a, die dem Kühlmittelstrom 15 zugewandte Fläche erheblich vergrößert ist.

Dabei ist es günstig, wenn die Distanzelemente 10a einen möglichst hohen Wärmeleitwert haben, so daß die von ihnen bedeckten Flächen an der Leiteranordnung 8a zusätzlich ge­ kühlt werden. Das Auftreten von lokalen Heißstellen an den Distanzelementen 10a ist damit erheblich verringert. Gege­ benenfalls kann auf diese Weise die Kühlung der bedeckten Flächen sogar erheblich besser sein, als die der unbedeck­ ten Flächen. Als Material für die Distanzelemente 10a eignen sich insbesondere Epoxydharze, Glas oder Keramiken, wobei auch gesinterte Materialien in Frage kommen. Der­ artige Materialien weisen gegebenenfalls von sich aus be­ reits eine vergrößerte Oberfläche auf, wodurch der Wärme­ übergang vom Leiter auf das Kühlmedium nochmals verbessert ist.

Das Flächenverhältnis bei einem derartigen Distanzelement 10a trägt also zur Vergrößerung der Leiter- oder Wick­ lungskühlfläche der Spule bei. Dabei gilt, daß die charak­ teristische "Länge" der Isolierstoffkombination "Distanzelement/Kühlmedium" groß gegenüber der Kühl­ kanalbreite ist. Die charakteristische Länge l ergibt sich zu:

wobei λ der spezifische Wärmeleitwert des Distanzelements und α die spezifische Wärmeübergangsziffer zwischen Distanz­ element und Kühlmedium sind (die "Länge l" ist dabei ein Maß mit Längendimension, das am Bauteil nicht "abmeß­ bar" ist).

Im Gegensatz zur bisherigen Lösung kann es daher auch zweckmäßig sein, den mit Distanzelementen belegten Anteil der Leiteroberfläche möglichst groß zu wählen. Zusätzlich können gegebenenfalls Belegungsmuster ausgewählt werden, die ein Optimum zwischen maximaler Belegung und maximaler Wärmeabfuhr darstellen. Die in Fig. 2 gezeigte Ausführung weist beispielsweise eine Belegung mit ca. 33% Oberflä­ chenanteil auf.

Bei der Ausbildung der Distanzelemente mit einer entspre­ chenden Formgebung beispielsweise nach Fig. 2, tritt zu­ sätzlich noch ein weiterer Effekt auf, der eine synerge­ tische Wirkung hat. Die Formgebung erzeugt nämlich ansich bekannte Turbulenzen im Kühlmittelstrom, was jedoch in Kom­ bination mit der erhöhten Kühlwirkung der Distanzelemente 10a eine überproportionale Wärmeableitung aus der Leiter­ anordnung 8a erzeugt.

Die Fig. 3 bis 5 zeigen beispielhaft weitere Distanz­ elemente 10b, 10c, 10d. Sie weisen dabei unterschiedliche Formen auf, die alle zum Ziel haben, die dem Kühlmittelstrom zugewandten Flächen erheblich zu vergrößern. Die Ausbildung der Distanzelemente 10b, 10c, 10d kommt dabei der von Kühlrippen gleich, wobei in Anwendung bei elektrischen Bauelementen elektrisch leitende Werkstoffe in der Regel nicht zur Anwendung kommen.

Eine Ausnahme hierzu ist vielleicht an solchen Stellen einer Spulenanordnung denkbar, an der ein Distanzelement elektrisch isoliert angeordnet gleichzeitig eine potentialsteuernde Wirkung erzeugen soll. Diese Anwendung ist jedoch sehr eingeschränkt und kann sich nur auf spezielle Anwendungsfälle beziehen. Eine andere Ausnahme ist dort denkbar, wo das Distanzelement gleichzeitig als elektrischer Leiter wirkt oder auf einem erhöhten Spannungspotential angeordnet ist.

Die Fig. 6 und 7 zeigen Ausführungen von Distanzelementen 10e und 10f im Querschnitt, wobei auch hier eine Formgebung zur Erzeugung einer vergrößerten Oberfläche gegeben ist.

Die Distanzelemente können, wie in Fig. 6 am Distanzelement 10e beispielhaft gezeigt, Öffnungen 16a, 16b zur Aufnahme eines Sensors aufweisen. Je nach Aufgabenstellung kann dieser in einer Öffnung 16b am Distanzelement oder mittels einer Öffnung 16a im Distanzelement integriert angeordnet sein. Da im Bereich das Distanzelement annähernd die Temperatur des Bauteils annimmt, kann es daher gleichzeitig zur Temperaturerfassung dienen. Insbesondere eignen sich hierfür Lichtleitersensoren, die - auf der vollen Länge des Elements verlegt - eine ortsabhängige Temperaturerfassung erlauben. Damit wird auch das problematische Verlegen des Lichtleiters innerhalb einer Spule vereinfacht.

Lichtleiter sich auch isolationstechnisch problemlos. Die Auswertung der erfaßten Werte kann dabei nach gewichteten Merkmalen erfolgen. Hierzu dient eine nicht weiter gezeigte Auswerteeinrichtung mit Mikroprozessoren, die mit geeigneten Schnittstellen versehen auch einen Datenaustausch mit anderen steuer- oder regelungstechnischen Einrichtung des Transformators erlaubt.

Um eine leichte Verarbeitbarkeit der neuen Distanzelemente zu ermöglichen, können diese beispielsweise, wie in Fig. 8 gezeigt, von einem Trägermaterial 18 zusammengehalten sein. Auf diese Weise benötigen die Distanzelemente 10g auch nicht mehr eine längliche Form in Art von Leisten. Sie können punktförmig auf dem Trägermaterial 18 verteilt sein. Es kann dadurch quasi eine von Kühlmedien gleichmäßig in verschiedene Richtungen 20a, 20b, 20c durchströmte Kühlschicht gebildet werden. Als Kühlmittel kommt vorzugsweise Öl oder SF₆ in Frage. Das Trägermaterial 18 kann dabei als Folie, Netz oder sonstiges flächenhaftes Material ausgeführt sein, wobei in erster Linie eine Materialauswahl in Optimierung einer verbesserten Kühlung erfolgen soll.

Claims (8)

1. Distanzelement (10a bis 10g) für die Bildung von Kühlkanälen in einem elektrischen Bauteil, welches Element als Kühlelement ausgebildet und aus einem elektrischen Nichtleiter mit großer Wärmeleitfähigkeit gefertigt ist, wobei dessen dem Kühlmedium zugewandte Kühlfläche groß gegenüber seinen am Bauteil anliegenden Flächen ist und der für den Wärmeübergang zum Kühlmedium wesentliche Bereiche der Kühlfläche eine dreidimensionale Formgebung aufweist.

2. Distanzelement nach Anspruch 1, gefertigt aus Keramik, Glas oder Epoxydharz.

3. Distanzelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Einzelkühlelemente (10g) vorgesehen sind, welche auf einem Trägermaterial (18) unter Bildung von Kühlmittelpfaden (20a, 20b, 20c) angeordnet sind.

4. Distanzelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Sensor zur Temperaturerfassung vorgesehen ist.

5. Distanzelement nach Anspruch 4, wobei der/die Sensor/en eine Lichtleiter umfassen.

6. Elektrische Spule mit Distanzelementen (10a bis 10g), die gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet sind.

7. Elektrische Spule nach Anspruch 6, wobei als Kühlmedium ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel, insbesondere Öl oder SF6, vorgesehen ist.

8. Elektrische Spule nach einem der Ansprüche 6 oder 7, welche zumindest teilweise mit Gießharz vergossen ist.