WO2013163994A1 - Flüssigkeitsgekühlter widerstand - Google Patents

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WO2013163994A1
WO2013163994A1 PCT/DE2013/100160 DE2013100160W WO2013163994A1 WO 2013163994 A1 WO2013163994 A1 WO 2013163994A1 DE 2013100160 W DE2013100160 W DE 2013100160W WO 2013163994 A1 WO2013163994 A1 WO 2013163994A1
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WO
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liquid
resistance element
cooling channel
cooled resistor
resistor
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Application number
PCT/DE2013/100160
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English (en)
French (fr)
Inventor
Burkhard Fuchs
Philip Hermann
Herbert Petri
Original Assignee
KRAH Elektronische Bauelemente GmbH
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C1/00—Details
    • H01C1/08—Cooling, heating or ventilating arrangements
    • H01C1/082—Cooling, heating or ventilating arrangements using forced fluid flow

Definitions

  • the invention relates to a liquid-cooled resistor having at least one electrically conductive resistance element which is arranged in a cooling channel.
  • a resistance element in the form of a coiled metallic wire which extends between two electrical terminals and is embedded in a potting compound containing alumina. Furthermore, the embedded resistance element is cooled by a current flowing transversely to its direction of extension coolant flow.
  • the invention thus relates to a liquid-cooled (electrical) resistor, which can be used, for example, to reduce short-term, excess electrical power.
  • the resistor contains (at least) the following components: At least one electrically conductive resistance element through which electrical current is passed during operation.
  • the liquid-cooled resistor usually further, not mentioned in detail herein components such.
  • the resistance element usually consists of a conventional
  • the resistance element has a geometrically substantially rectilinear extent between its electrical connections, wherein it can run in a "fine structure", for example, spirally along the direction of extension in order to accommodate the largest possible line length between the terminals.
  • the term "tubular portion" is to be understood very generally as any type of geometry in which a (originally empty) space is annularly enclosed by the body of the cooling channel (possibly up to a slight opening point of the ring).
  • the tubular portion is in the shape of a circular cylinder.
  • other cylindrical or prismatic structures with elliptical, polygonal, or other cross-sectional shapes are also conceivable.
  • the tubular section can also be built geometrically irregular.
  • an open cavity remains (between the resistance element and the inner wall of the cooling channel) whose thickness is not more than about 15%, preferably not more than about 10%, not more than about 8 %, not more than about 5%, or even not more is about 2% of the local diameter of the tubular portion (this condition being intended to be met at least one location, preferably more than 75% of the inner wall surface of the tubular portion, most preferably the entire tubular portion).
  • the above-mentioned cavity is an annular gap or hollow cylinder. The "thickness of the cavity" is then identical to the wall thickness of this hollow cylinder.
  • cooling channel is intended to encompass both the (originally empty) space in which the resistive element and the coolant flowing through the cavity are in the finished resistor, as well as the material wall bounding this space.
  • the material of this wall may be a metal such as e.g. Aluminum or even a plastic (for example, a thermoset or carbon fiber reinforced plastic CFK).
  • a liquid-cooled resistor includes the following components:
  • At least one electrically conductive resistance element At least one electrically conductive resistance element.
  • a cooling channel having a tubular portion in which the resistance element is arranged.
  • the liquid-cooled resistor according to the second aspect is characterized in that in the tubular portion, a cavity remains, whose thickness is less than about 5 mm (this condition
  • the thickness may be less than about 4 mm, less than about 3 mm, less than about 2 mm, or even less than 1 mm.
  • a liquid-cooled resistor according to the first or second aspect of the invention has the advantage that due to the relatively small thickness of the cavity in the cooling channel a dissipation of heat loss from the resistance element, which proves to be surprisingly efficient in practice. This makes it possible to implement high power losses in the liquid-cooled resistor in a compact design.
  • a liquid-cooled resistor according to a third aspect of the invention represents a stand-alone problem solution, and optionally may additionally include the features of the above-described liquid-cooled resistors according to the first and / or second aspects.
  • the liquid-cooled resistor according to the third aspect includes the following components:
  • At least one electrically conductive resistance element At least one electrically conductive resistance element.
  • a cooling channel having a tubular portion in which the resistance element is arranged.
  • the liquid-cooled resistor according to the third aspect is characterized in that an electrical insulation is arranged between the resistance element and the remaining cavity of the cooling channel.
  • the liquid-cooled resistor according to the third aspect of the invention has the advantage that it allows the use of electrically conductive coolants, since they can not come into electrical contact with the current-carrying resistance element due to the electrical insulation. As a result, optimal cooling agents can be used under thermal aspects, which benefits the performance of the resistor.
  • an antifreeze such as ethylene glycol, a corrosion inhibitor, water, deionized water, oil and / or mixtures thereof are used.
  • the cooling channel is preferably designed such that a coolant in the
  • Resistance element substantially parallel to the connecting line between the coolant connection points of the cooling channel (where "substantially” is to mean an angle less than about 30 ° between the straight line). Additionally or alternatively, it may be required that the over the
  • Resistance element averaged electric current flow direction should be substantially parallel to the averaged over the cooling channel coolant flow direction.
  • the resistance element also bears in places on the inner wall of the cooling channel, so that the cavity here has the thickness "zero".
  • the resistance element is in the tubular portion of the cooling channel surrounded by a cavity through which flows in the operating condition coolant. This means that the resistance element is embedded on all sides in the cavity (and thus in the coolant flow), wherein "on all sides” on the circumference relative to the electrical
  • a sheath tube is arranged between the resistance element and the inner wall of the cooling channel in the tubular portion thereof.
  • the sheathing tube can have a circular or any other cross section. It may in particular contain or consist of metals, ceramics, metal oxides and / or metal nitrides.
  • the jacket tube ensures a mechanically stable housing of the resistance element in the cooling channel, this tube preferably having good heat conduction properties which promote the removal of heat into the coolant flow.
  • an electrical insulation is arranged between the resistance element and the jacket tube. This prevents a conductive sheath tube from participating in the conduction of electrical current through the resistive element or causing shorts.
  • the jacket tube may optionally have on its outside projections which increase its surface and thereby provide better heat dissipation into the coolant.
  • the projections may be formed, for example, as extending in the longitudinal direction of the sheath tube, radially projecting ribs.
  • the resistive element may optionally be embedded in a mass containing inorganic fillers.
  • inorganic fillers examples include aluminum, copper
  • the mass is preferably electrically insulating. It then represents an example of the embodiment described above, in which the resistance element is embedded within the sheath tube in the insulating mass, so that there is no electrical contact between the resistance element and sheath tube.
  • the use of a mass with inorganic fillers has the advantage that the resistance element can be electrically isolated from its surroundings, said fillers having a good thermal conductivity at high electrical
  • the liquid-cooled resistor can be adjusted in its performance by appropriate dimensioning of the resistive element and the cooling channel to the needs. For example, a high electrical power consumption by a correspondingly long length of the cooling channel and the
  • a high power consumption with a compact design can also be realized if the liquid-cooled resistor at least two cooling channels of the type mentioned with associated, each arranged in a tubular portion
  • the resistance elements can be electrically connected in series, electrically connected in parallel, or be arranged in mixed forms of these types of circuits, if they are to serve together to dissipate an electric current. If several electrical currents of different circuits are to be derived, the resistance elements usually remain electrically separate.
  • a particularly compact design with efficient cooling results when the liquid-cooled resistor has at least two cooling channels with corresponding resistance elements, wherein the cooling channels are connected to a common manifold for supplied coolant and / or to a common collector for coolant to be derived.
  • the liquid-cooled resistor then requires only a single supply line for coolant or only a single outflow for coolant.
  • the above-mentioned distributor and / or the collector are advantageously designed so that when operating in the connected cooling channels an approximately equal flow of coolant - and thus an equal cooling capacity - sets.
  • the geometry of the distributor may be such that in operation there is approximately the same dynamic pressure at all inputs of cooling channels.
  • a particularly advantageous construction of a liquid-cooled resistor with at least two cooling channels and associated resistances results, when these cooling channels and resistance elements are arranged geometrically parallel to each other.
  • a plurality of existing cooling channels are formed in a one-piece block, so that a close thermal coupling is formed.
  • the block may contain, for example, metal, plastic or ceramic or consist of these materials.
  • the resistor may optionally include means for directing a flow of coolant in the cooling passage, such as ribs or vanes, with which the flow of the coolant can be influenced.
  • means for directing a flow of coolant in the cooling passage such as ribs or vanes, with which the flow of the coolant can be influenced.
  • Steering means be designed so that they produce a twist, d. H. a helical flow of the coolant around the resistance element.
  • Said means may preferably be arranged on the inner wall of the cooling channel and / or on the outer wall of a sheath tube.
  • Fig. 1 is a longitudinal section through an inventive
  • Fig. 3 shows the resistance of Figure 1 with coolant connections in one
  • Fig. 4 shows a cross section through a jacket tube with radial ribs.
  • the liquid-cooled resistor 100 shown partially schematically in the figures, represents an exemplary embodiment of the present invention. It contains the following components: A number of (here six) similar resistance elements 101, which are arranged geometrically parallel to each other.
  • the resistance elements 101 are formed by electrical conductors, which are shown in the figures cylindrical. In detail, however, the resistive elements 101 may have a "fine structure" not shown in detail, according to which they are z. B. can be wound spirally along the extension axis.
  • each sheath tube 103 surrounds one of the aforementioned resistive elements 101 without contacting it.
  • the resistance elements 101 are embedded in the cladding tubes in an electrically insulating potting compound 102.
  • This potting compound may contain or consist of inorganic fillers, for example, aluminum oxide or aluminum nitride.
  • cooling channels K which are formed in the example shown in a common one-piece block 104 made of metal or plastic.
  • the cooling channels K each comprise a tubular (in this case circular-cylindrical) section which extends in a straight line through said block 104.
  • each of the cooling channels K is centrally one of said sheath tubes 103 with the therein
  • resistive elements 101 typically protrude slightly beyond the two ends of the channels K so as to be electrically connectable (eg, in series or parallel) (not shown).
  • a distributor 105 and a collector 106 which cover the ends of the cooling channels K at the block 104 and via which a coolant (eg an ethylene glycol / water mixture) can be supplied or removed.
  • the distributor 105 ensures a uniform distribution of the Coolant in the cooling channels K.
  • the collector 106 provides for the capture of the escaping refrigerant and its common discharge.
  • the flow of the manifold 105 and / or the collector 106 may be provided, for example, in the flow direction from channel branch to channel branch decreasing cross sections (or smaller constrictions).
  • the same dynamic pressure can be built up in channels located further back as in the case of front channels.
  • Figure 3 shows the case that the line connections of manifold 105 and collector 106 are on the same side (top). However, they may also be located on different sides (i.e., diametrically opposite) or generally located at other positions.
  • the manifold 105 and / or the collector 106 may be made of metal (e.g.
  • Ummantelungsrohre 103 remaining cavity is here a hollow cylinder or annular gap RS. It preferably has a small thickness ⁇ , which is smaller than about 10% of the diameter of the cooling channel at the corresponding location.
  • ⁇ the diameter of a cooling passage K
  • D the diameter of the associated shroud tube 103
  • Diameter of the largest (imaginary) sphere which lies entirely in the cavity (RS) and contains the point considered.
  • the "local diameter D of the tubular portion” can be measured as the diameter of the largest (imaginary) sphere, which lies entirely in the tubular section and contains the point considered.
  • the thickness ( ⁇ ) of the cavity is preferably less than about 2 mm.
  • a coolant can be conducted essentially parallel to the extension direction of the resistance element 101 (see block arrows in FIG.
  • a liquid-cooled resistor is provided, which allows efficient dissipation of high power losses in a compact design.
  • the design can be carried out so that relatively high currents can be passed through the resistor elements, for example, currents of about 250 A or more.
  • FIG. 4 shows a cross-section through an alternative embodiment of a sheath tube 103 ', which may optionally be substituted for that described above
  • Sheath tube 103 could be used. In contrast to the latter, it has on its outside projections V to increase the surface and thus to improve the heat dissipation.
  • the projections V can be used.
  • the projections V may be straight and parallel to the axis of the
  • Sheath tube 103 'extend may also orbit spirally about the axis of the sheath tube 103 'to impart a corresponding twist to the coolant.

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  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Widerstand (100), bei dem mindestens ein elektrisch leitendes Widerstandselement (101) in einem Kühlkanal (K) angeordnet ist. Der Hohlraum (RS) um das Widerstandselement im Kühlkanal hat dabei eine geringe Dicke (Δ) und/oder das Widerstandselement befindet sich gegenüber dem Kühlkanal in einer elektrischen Isolierung (102). Auf diese Weise lässt sich ein Widerstand in kompakter Bauform realisieren, mit welchem aufgrund einer effizienten Kühlung hohe Leistungen verarbeitet werden können.

Description

Flüssigkeitsgekühlter Widerstand
Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Widerstand mit mindestens einem elektrisch leitenden Widerstandselement, das in einem Kühlkanal angeordnet ist.
Aus der DE 28 47 129 C2 ist ein Widerstandselement in Form eines gewendelten metallischen Drahtes bekannt, das sich zwischen zwei elektrischen Anschlüssen erstreckt und in eine Vergussmasse eingebettet ist, die Aluminiumoxid enthält. Weiterhin wird das eingebettete Widerstandselement von einem quer zu seiner Erstreckungsrichtung laufenden Kühlmittelstrom gekühlt.
Vor diesem Hintergrund war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen flüssigkeitsgekühlten Widerstand bereitzustellen, der bei kompakter Bauweise die Umsetzung hoher Leistungen erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch einen flüssigkeitsgekühlten Widerstand nach
Anspruch 1 und Anspruch 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung somit einen flüssigkeitsgekühlten (elektrischen) Widerstand, welcher beispielsweise dazu eingesetzt werden kann, kurzfristig auftretende, überschüssige elektrische Leistungen abzubauen. Der Widerstand enthält (mindestens) die folgenden Komponenten: Mindestens ein elektrisch leitendes Widerstandselement, durch welches beim Betrieb elektrischer Strom geleitet wird. Zu diesem Zweck hat der flüssigkeitsgekühlte Widerstand in der Regel weitere, vorliegend nicht im Einzelnen erwähnte Komponenten wie z. B. elektrische Außenanschlüsse. Das Widerstandselement besteht in der Regel aus einem üblichen
Heizleitermaterial, insbesondere einem Metall oder einer Metalllegierung wie beispielsweise CuNi, NiCr, oder AlCr. Es kann optional in einem elektrisch isolierenden Träger untergebracht bzw. eingebettet sein. In der Regel hat das Widerstandselement geometrisch eine im Wesentlichen geradlinige Erstreckung zwischen seinen elektrischen Anschlüssen, wobei es in einer "Feinstruktur" beispielsweise spiralförmig entlang der Erstreckungsrichtung verlaufen kann, um eine möglichst große Leitungslänge zwischen den Anschlüssen unterzubringen.
Einen Kühlkanal mit einem rohrformigen Abschnitt, durch welchen ein geeignetes, typischerweise flüssiges Kühlmittel geleitet werden kann, wobei in dem rohrformigen Abschnitt das vorstehend genannte Widerstandselement (zumindest teilweise) angeordnet ist. Der Begriff "rohrförmiger Abschnitt" ist dabei sehr allgemein zu verstehen als jede Art von Geometrie, bei welcher ein (ursprünglich leerer) Raum ringförmig vom Körper des Kühlkanals umschlossen wird (gegebenenfalls bis auf eine geringfügige Öffnungsstelle des Ringes). In einem typischen Ausführungsbeispiel hat der rohrförmige Abschnitt die Form eines Kreiszylinders. Denkbar sind jedoch auch andere zylindrische bzw. prismatische Strukturen mit elliptischen, mehreckigen, oder anderen Querschnittsformen. Des Weiteren kann der rohrförmige Abschnitt im allgemeinen Fall auch geometrisch unregelmäßig gebaut sein.
Der beschriebene flüssigkeitsgekühlte Widerstand ist weiterhin dadurch
charakterisiert, dass im genannten rohrformigen Abschnitt ein offener Hohlraum besteht bzw. verbleibt (zwischen dem Widerstandselement und der Innenwand des Kühlkanals), dessen Dicke nicht mehr als ca. 15 %, vorzugsweise nicht mehr als ca. 10 %, nicht mehr als ca. 8 %, nicht mehr als ca. 5 %, oder sogar nicht mehr als ca. 2 % des lokalen Durchmessers des rohrförmigen Abschnittes beträgt (wobei diese Bedingung an mindestens einer Stelle, vorzugsweise an mehr als 75% der Innenwandfläche des rohrförmigen Abschnitts, besonders bevorzugt im gesamten rohrförmigen Abschnitt erfüllt sein soll). Wenn der rohrformige Abschnitt und das Widerstandselement beide kreiszylindrisch sind und das Widerstandselement zentral entlang der Achse des rohrförmigen Abschnittes angeordnet ist, ist der vorstehend erwähnte Hohlraum ein Ringspalt bzw. Hohlzylinder. Die "Dicke des Hohlraumes" ist dann identisch mit der Wanddicke dieses Hohlzylinders.
Der Begriff "Kühlkanal" soll sowohl den (ursprünglich leeren) Raum umfassen, in dem sich im fertigen Widerstand das Widerstandselement und der von Kühlmittel durch ström bare Hohlraum befinden, als auch die diesen Raum begrenzende materielle Wand. Das Material dieser Wand kann ein Metall wie z.B. Aluminium sein oder aber auch ein Kunststoff (z.B. ein Duroplast oder Carbonfaserverstärkter Kunststoff CFK).
Ein flüssigkeitsgekühlter Widerstand gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung enthält die folgenden Komponenten:
Mindestens ein elektrisch leitendes Widerstandselement.
Einen Kühlkanal mit einem rohrförmigen Abschnitt, in dem das Widerstandselement angeordnet ist.
Der flüssigkeitsgekühlte Widerstand nach dem zweiten Aspekt ist dadurch charakterisiert, dass in dem rohrförmigen Abschnitt ein Hohlraum verbleibt, dessen Dicke weniger als ca. 5 mm beträgt (wobei diese Bedingung an
mindestens einer Stelle, vorzugsweise an mehr als 75% der Innenwandfläche des rohrförmigen Abschnitts, besonders bevorzugt im gesamten rohrförmigen
Abschnitt erfüllt sein soll). Optional kann die Dicke weniger als ca. 4 mm, weniger als ca. 3 mm, weniger als ca. 2 mm, oder sogar weniger als 1 mm betragen.
Ein flüssigkeitsgekühlter Widerstand gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt der Erfindung hat den Vorteil, dass aufgrund der verhältnismäßig geringen Dicke des Hohlraumes im Kühlkanal eine Ableitung von Verlustwärme vom Widerstands- element erfolgen kann, welche sich in der Praxis als überraschend effizient erweist. Damit wird es möglich, bei kompakter Bauweise hohe Verlustleistungen in dem flüssigkeitsgekühlten Widerstand umzusetzen.
Ein flüssigkeitsgekühlter Widerstand gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung stellt eine eigenständige Problemlösung dar, wobei er optional zusätzlich die Merkmale der oben beschriebenen, flüssigkeitsgekühlten Widerstände gemäß dem ersten und/oder zweiten Aspekt enthalten kann. Der flüssigkeitsgekühlte Widerstand nach dem dritten Aspekt enthält die folgenden Komponenten:
Mindestens ein elektrisch leitendes Widerstandselement.
Einen Kühlkanal mit einem rohrförmigen Abschnitt, in dem das Widerstandselement angeordnet ist.
Der flüssigkeitsgekühlte Widerstand nach dem dritten Aspekt ist dadurch charakterisiert, dass zwischen dem Widerstandselement und dem verbleibenden Hohlraum des Kühlkanals eine elektrische Isolierung angeordnet ist.
Der flüssigkeitsgekühlte Widerstand nach dem dritten Aspekt der Erfindung hat den Vorteil, dass er die Verwendung von elektrisch leitenden Kühlmitteln erlaubt, da diese aufgrund der elektrischen Isolierung nicht mit dem stromführenden Widerstandselement elektrisch in Kontakt kommen können. Dadurch lassen sich unter thermischen Gesichtspunkten optimale Kühlmittel einsetzen, was der Leistungsfähigkeit des Widerstandes zugute kommt.
Die Merkmale der beschriebenen flüssigkeitsgekühlten Widerstände gemäß dem ersten, zweiten, und dritten Aspekt der Erfindung können optional miteinander kombiniert werden. Generell gilt, dass Ausführungen, Definitionen und
Erläuterungen, welche für irgendeine Ausführungsform eines Widerstandes gemäß der vorliegenden Erfindung gegeben werden, in analoger Weise auch für alle anderen Ausführungsformen gelten.
Im Folgenden werden verschiedene vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, welche sich sowohl mit einem flüssigkeitsgekühlten Widerstand gemäß dem ersten, zweiten, als auch dem dritten Aspekt der Erfindung realisieren lassen.
Als Kühlmittel können bei dem flüssigkeitsgekühlten Widerstand insbesondere ein Frostschutzmittel wie z. B. Ethylenglycol, ein Korrosionsschutzmittel, Wasser, entionisiertes Wasser, Öl und/oder Gemische hiervon zum Einsatz kommen.
Der Kühlkanal ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass ein Kühlmittel im
Wesentlichen parallel zur Erstreckungsrichtung des Widerstandselementes durch den Hohlraum im Kühlkanal strömen kann. Insbesondere kann die
Verbindungsgerade zwischen den elektrischen Anschlusspunkten des
Widerstandselementes im Wesentlichen parallel zur Verbindungsgeraden zwischen den Kühlmittel-Anschlusspunkten des Kühlkanals verlaufen (wobei "im Wesentlichen" einen Winkel kleiner als ca. 30° zwischen den Geraden bedeuten soll). Zusätzlich oder alternativ kann gefordert werden, dass die über das
Widerstandselement gemittelte elektrische Stromflussrichtung im Wesentlichen parallel zur über den Kühlkanal gemittelten Kühlmittel-Strömungsrichtung sein soll.
Für die geometrische Lage bzw. Form des offenen Hohlraumes im rohrförmigen Abschnitt werden im allgemeinen Fall keine besonderen Einschränkungen gemacht. Denkbar ist es daher, dass das Widerstandselement auch stellenweise an der Innenwand des Kühlkanals anliegt, der Hohlraum hier also die Dicke "Null" hat. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Widerstandselement indes im rohrförmigen Abschnitt des Kühlkanals von einem Hohlraum UMGEBEN, durch den im Betriebszustand Kühlmittel strömt. Das heißt, dass das Widerstandselement allseits im Hohlraum (und damit im Kühlmittelstrom) eingebettet ist, wobei "allseits" sich auf den Umfang relativ zur elektrischen
Stromflussrichtung bzw. zur Erstreckungsrichtung des Widerstandselementes bezieht und Punkte für die elektrische Stromzufuhr und -ableitung ausnimmt. Die Einbettung des Widerstandselementes im Hohlraum bzw. Kühlmittelstrom hat den Vorteil, dass besonders effizient Verlustwärme vom Widerstandselement abgeführt werden kann. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Widerstandselement und der Innenwand des Kühlkanals in dessen rohrförmigem Abschnitt ein Ummantelungsrohr angeordnet. Das Ummantelungs- rohr kann dabei einen kreisrunden oder jeden beliebigen anderen Querschnitt haben. Es kann insbesondere Metalle, Keramik, Metalloxide und/oder Metallnitride enthalten oder hieraus bestehen. Durch das Ummantelungsrohr wird eine mechanisch stabile Unterbringung des Widerstandselementes im Kühlkanal gewährleistet, wobei dieses Rohr vorzugsweise gute Wärmeleiteigenschaften hat, die den Abtransport von Wärme in den Kühlmittelstrom fördern.
Gemäß einer Weiterbildung der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist zwischen dem Widerstandselement und dem Ummantelungsrohr eine elektrische Isolierung angeordnet. Diese verhindert, dass das ein leitfähiges Ummantelungsrohr an der Leitung des elektrischen Stromes durch das Widerstandselement teilnimmt bzw. Kurzschlüsse verursachen kann.
Das Ummantelungsrohr kann optional an seiner Außenseite Vorsprünge aufweisen, welche seine Oberfläche vergrößern und dadurch für eine bessere Wärmeabgabe in das Kühlmittel sorgen. Die Vorsprünge können beispielsweise als in Längsrichtung des Ummantelungsrohres verlaufende, radial abstehende Rippen ausgebildet sein.
Das Widerstandselement kann optional in einer Masse eingebettet sein, welche anorganische Füllstoffe enthält. Beispiele für derartige Füllstoffe sind
insbesondere Metalloxide und/oder Metallnitride, beispielsweise Aluminiumoxide und/oder Aluminiumnitride. Die Masse ist vorzugsweise elektrisch isolierend. Sie stellt dann ein Beispiel für die vorstehend beschriebene Ausführungsform dar, bei welcher das Widerstandselement innerhalb des Ummantelungsrohres in die isolierende Masse eingebettet ist, so dass kein elektrischer Kontakt zwischen Widerstandselement und Ummantelungsrohr besteht. Die Verwendung von einer Masse mit anorganischen Füllstoffen hat den Vorteil, dass das Widerstandselement elektrisch von seiner Umgebung isoliert werden kann, wobei die genannten Füllstoffe eine gute Wärmeleitfähigkeit bei hoher elektrischer
Durchschlagsfestigkeit aufweisen. Der flüssigkeitsgekühlte Widerstand lässt sich in seiner Leistung durch eine entsprechende Dimensionierung des Widerstandselementes und des Kühlkanals dem Bedarf anpassen. Beispielsweise kann eine hohe elektrische Leistungsaufnahme durch eine entsprechend große Länge des Kühlkanals und des
Widerstandselementes erreicht werden. Eine hohe Leistungsaufnahme bei gleichzeitig kompakter Bauweise lässt sich darüber hinaus realisieren, wenn der flüssigkeitsgekühlte Widerstand mindestens zwei Kühlkanäle der genannten Art mit zugehörigen, jeweils in einem rohrförmigen Abschnitt angeordneten
Widerstandselementen aufweist, d. h. wenn der einfache flüssigkeitsgekühlte Widerstand im Wesentlichen mehrfach vorgesehen und angeordnet wird. Die Widerstandselemente können dabei elektrisch in Serie geschaltet werden, elektrisch parallel geschaltet werden, oder in Mischformen dieser Schaltungsarten angeordnet sein, wenn sie gemeinsam der Ableitung eines elektrischen Stromes dienen sollen. Wenn mehrere elektrische Ströme verschiedener Stromkreise abgeleitet werden sollen, bleiben die Widerstandselemente in der Regel elektrisch separat.
Eine besonders kompakte Bauform bei effizienter Kühlung ergibt sich, wenn der flüssigkeitsgekühlte Widerstand mindestens zwei Kühlkanäle mit entsprechenden Widerstandselementen aufweist, wobei die Kühlkanäle an einen gemeinsamen Verteiler für zugeführtes Kühlmittel und/oder an einen gemeinsamen Sammler für abzuleitendes Kühlmittel angeschlossen sind. Der flüssigkeitsgekühlte Widerstand benötigt dann nur eine einzige Zuleitung für Kühlmittel bzw. nur einen einzigen Abfluss für Kühlmittel.
Der vorstehend genannte Verteiler und/oder der Sammler sind vorteilhafterweise so gestaltet, dass sich beim Betrieb in den angeschlossenen Kühlkanälen ein in etwa gleich großer Kühlmittelstrom - und damit eine gleich große Kühlleistung - einstellt. Beispielsweise kann die Geometrie des Verteilers so sein, dass im Betrieb an allen Eingängen von Kühlkanälen in etwa der gleiche dynamische Druck herrscht.
Eine besonders vorteilhafte Bauweise eines flüssigkeitsgekühlten Widerstandes mit mindestens zwei Kühlkanälen und zugeordneten Widerständen ergibt sich, wenn diese Kühlkanäle und Widerstandselemente geometrisch parallel zueinander angeordnet sind.
Vorzugsweise werden mehrere vorhandene Kühlkanäle in einem einstückigen Block ausgebildet, so dass eine enge thermische Kopplung entsteht.
Ungleichheiten bei der Erzeugung von Verlustwärme können dann über den Block ausgeglichen werden, so dass alle Kühlkanäle in etwa gleichermaßen an der Ableitung von Verlustwärme beteiligt werden. Der Block kann beispielsweise Metall, Kunststoff oder Keramik enthalten oder aus diesen Materialien bestehen.
Der Widerstand kann optional Mittel zur Lenkung einer Kühlmittelströmung im Kühlkanal enthalten, beispielsweise Rippen oder Flügel, mit denen die Strömung des Kühlmittels beeinflusst werden kann. Insbesondere können die
Lenkungsmittel so ausgelegt sein, dass sie einen Drall erzeugen, d. h. eine spiralförmige Strömung des Kühlmittels um das Widerstandselement herum. Die genannten Mittel können vorzugsweise an der Innenwand des Kühlkanals und/oder an der Außenwand eines Ummantelungsrohres angeordnet sein.
Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figuren beispielhaft näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen
flüssigkeitsgekühlten Widerstand;
Fig. 2 einen Querschnitt durch den Widerstand von Figur 1 entlang der
Linie II-II;
Fig. 3 den Widerstand von Figur 1 mit Kühlmittelanschlüssen in einer
perspektivischen Explosionsansicht;
Fig. 4 einen Querschnitt durch ein Ummantelungsrohr mit radialen Rippen.
Der in den Figuren teilweise schematisch dargestellte flüssigkeitsgekühlte Widerstand 100 stellt eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Er enthält die folgenden Komponenten: Eine Anzahl von (hier sechs) gleichartigen Widerstandselementen 101 , die geometrisch parallel zueinander angeordnet sind. Die Widerstandselemente 101 werden durch elektrische Leiter gebildet, die in den Figuren zylinderförmig dargestellt sind. Im Detail können die Widerstandselemente 101 jedoch eine nicht näher dargestellte "Feinstruktur" haben, gemäß der sie z. B. spiralförmig entlang der Erstreckungsachse gewickelt sein können.
Eine entsprechende Anzahl von Ummantelungsrohren 103, beispielsweise Kupferrohren, wobei jedes Ummantelungsrohr 103 eines der vorgenannten Widerstandselemente 101 umgibt, ohne dies zu kontaktieren.
Um eine mechanisch stabile, elektrisch isolierende, und thermisch gut leitende Unterbringung der Widerstandselemente 101 in den Ummantelungsrohren 103 zu gewährleisten, sind die Widerstandselemente 101 in den Ummantelungsrohren in einer elektrisch isolierenden Vergussmasse 102 eingebettet. Diese Vergussmasse kann anorganische Füllstoffe enthalten oder hieraus bestehen, beispielsweise Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid.
Eine entsprechende Anzahl von Kühlkanälen K, welche im dargestellten Beispiel in einem gemeinsamen einstückigen Block 104 aus Metall oder Kunststoff ausgebildet sind. Die Kühlkanäle K umfassen jeweils einen rohrförmigen (hier kreiszylindrischen) Abschnitt, welcher sich geradlinig durch den genannten Block 104 erstreckt. In jedem der Kühlkanäle K ist mittig eines der genannten Ummantelungsrohre 103 mit dem darin
eingebetteten Widerstandselement 101 angeordnet, wobei die Widerstandselemente 101 typischerweise über die beiden Enden der Kanäle K ein Stück weit hervorstehen, um elektrisch (z. B. in Serien- oder Parallelschaltung) angeschlossen werden zu können (nicht dargestellt).
Einen Verteiler 105 und einen Sammler 106, welche kappenformig die Enden der Kühlkanäle K am Block 104 abdecken und über welche ein Kühlmittel (z. B. ein Ethylenglykol/Wasser-Gemisch) zugeführt bzw. abgeführt werden kann. Der Verteiler 105 sorgt für eine gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels in die Kühlkanäle K. In ähnlicher Weise sorgt der Sammler 106 für das Auffangen des austretenden Kühlmittels und dessen gemeinsame Ableitung.
Für eine gleichmäßige Verteilung der Strömung können der Verteiler 105 und/oder der Sammler 106 beispielsweise mit in Strömungsrichtung von Kanalabzweig zu Kanalabzweig abnehmenden Querschnitten (bzw. kleiner werdenden Verengungen) versehen werden. Dadurch kann bei weiter hinten gelegenen Kanäle in etwa derselbe dynamische Druck aufgebaut werden wie bei vorderen Kanälen.
Figur 3 zeigt den Fall, dass die Leitungsanschlüsse von Verteiler 105 und Sammler 106 an derselben Seite liegen (oben). Ebenso können diese jedoch auch auf verschiedenen Seiten liegen (d.h. diametral gegenüber) oder allgemein an anderen Positionen angebracht sein.
Der Verteiler 105 und/oder der Sammler 106 können aus Metall (z.B.
Aluminium) oder Kunststoff bestehen.
Der zwischen der Innenwand der Kanäle K und der Außenwand der
Ummantelungsrohre 103 verbleibende Hohlraum ist hier ein Hohlzylinder oder Ringspalt RS. Er hat vorzugsweise eine geringe Dicke Δ, welche kleiner ist als ca. 10 % des Durchmessers des Kühlkanals an der entsprechenden Stelle. Wenn wie dargestellt der Durchmesser eines Kühlkanals K mit D und der Durchmesser des zugehörigen Ummantelungsrohres 103 mit d bezeichnet wird, lautet vorstehende Bedingung als Formel:
Δ = (D-d)/2 < D-10/100
Bei allgemeineren Geometrien können, bezogen auf einen Punkt an der
Innenwand des Kühlkanals (K), die verwendeten Größen wie folgt definiert werden: Die "Dicke Δ des Hohlraumes" kann gemessen werden als der
Durchmesser der größten (gedachten) Kugel, welche ganz im Hohlraum (RS) liegt und den betrachteten Punkt enthält. Der "lokale Durchmesser D des rohrformigen Abschnittes" kann gemessen werden als der Durchmesser der größten (gedachten) Kugel, welche ganz im rohrförmigen Abschnitt liegt und den betrachteten Punkt enthält.
In Absolutwerten gesehen ist die Dicke (Δ) des Hohlraumes vorzugsweise kleiner als ca. 2 mm.
Durch den Hohlraum RS kann beim Betrieb des Widerstandes 100 ein Kühlmittel im Wesentlichen parallel zur Erstreckungsrichtung des Widerstandselementes 101 geleitet werden (vgl. Blockpfeile in Figur 1 ).
Mit dem beschriebenen Aufbau wird ein flüssigkeitsgekühlter Widerstand bereitgestellt, der bei einer kompakten Bauform eine effiziente Ableitung hoher Verlustleistungen erlaubt. Insbesondere kann die Auslegung dabei so erfolgen, dass verhältnismäßig hohe Ströme durch die Widerstandselemente geleitet werden können, beispielsweise Ströme von ca. 250 A oder mehr.
Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch eine alternative Ausführungsform eines Ummantelungsrohres 103', das optional anstelle des oben beschriebenen
Ummantelungsrohres 103 verwendet werden könnte. Im Unterschied zu Letzterem hat es an seiner Außenseite Vorsprünge V zur Vergrößerung der Oberfläche und damit zur Verbesserung der Wärmeabgabe. Die Vorsprünge V können
beispielsweise als über den Umfang verteilt angeordnete, radial abstehende Rippen ausgebildet sein. In Längsrichtung (d. h. senkrecht zur Zeichenebene von Figur 4) können die Vorsprünge V gerade und parallel zur Achse des
Ummantelungsrohres 103' verlaufen. Alternativ können sie auch spiralförmig um die Achse des Ummantelungsrohres 103' umlaufen, um dem Kühlmittel einen entsprechenden Drall zu verleihen.

Claims

Patentansprüche
1 . Flüssigkeitsgekühlter Widerstand (100), enthaltend:
mindestens ein elektrisch leitendes Widerstandselement (101 ), einen Kühlkanal (K) mit einem rohrformigen Abschnitt, in dem das Widerstandselement (101 ) angeordnet ist, wobei in dem rohrformigen Abschnitt ein Hohlraum (RS) verbleibt, dessen Dicke (Δ) nicht mehr als ca. 15 % des lokalen Durchmessers (D) des rohrformigen Abschnittes beträgt.
2. Flüssigkeitsgekühlter Widerstand (100), insbesondere nach Anspruch 1 , enthaltend:
mindestens ein elektrisch leitendes Widerstandselement (101 ), einen Kühlkanal (K) mit einem rohrformigen Abschnitt, in dem das Widerstandselement (101 ) angeordnet ist, wobei in dem rohrformigen Abschnitt ein Hohlraum (RS) verbleibt, dessen Dicke (Δ) weniger als ca. 5 mm beträgt.
3. Flüssigkeitsgekühlter Widerstand (100) nach mindestens einem der übrigen Ansprüche, enthaltend:
mindestens ein elektrisch leitendes Widerstandselement (101 ), einen Kühlkanal (K) mit einem rohrformigen Abschnitt, in dem das Widerstandselement (101 ) angeordnet ist, wobei zwischen dem Widerstandselement (101 ) und dem verbleibenden Hohlraum (RS) des Kühlkanals (K) eine elektrische Isolierung (102) angeordnet ist.
4. Flüssigkeitsgekühlter Widerstand (100) nach mindestens einem der übrigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandselement (101 ) im
rohrförmigen Abschnitt des Kühlkanals (K) von einem Hohlraum (RS) umgeben ist.
5. Flüssigkeitsgekühlter Widerstand (100) nach mindestens einem der übrigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass in dem rohrförmigen Abschnitt ein
Ummantelungsrohr (103, 103') zwischen dem Widerstandselement (101 ) und der Innenwand des Kühlkanals (K) angeordnet ist.
6. Flüssigkeitsgekühlter Widerstand (100) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass das Ummantelungsrohr (103') an seiner Außenseite Vorsprünge (V) aufweist.
7. Flüssigkeitsgekühlter Widerstand (100) nach mindestens einem der übrigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandselement (101 ) in einer Masse (102) eingebettet ist, die anorganische Füllstoffe enthält,
insbesondere Metalloxide und/oder Metallnitride.
8. Flüssigkeitsgekühlter Widerstand (100) nach mindestens einem der übrigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens zwei Kühlkanäle (K) mit Widerstandselementen (101 ) aufweist, die an einem gemeinsamen
Verteiler (105) für zugeführtes Kühlmittel und/oder an einen gemeinsamen Sammler (106) für abzuleitendes Kühlmittel angeschlossen sind.
9. Flüssigkeitsgekühlter Widerstand (100) nach mindestens einem der übrigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens zwei Kühlkanäle (K) mit Widerstandselementen (101 ) aufweist, die in einem einstückigen Block (104) ausgebildet sind.
10. Flüssigkeitsgekühlter Widerstand (100) nach mindestens einem der übrigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass er Mittel (V) zur Lenkung einer
Kühlmittelströmung im Kühlkanal (K) enthält, insbesondere zur Erzeugung einer spiralförmigen Strömung.
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