DE9111719U1

DE9111719U1 - Flüssigkeitsgekühlter Hochlastwiderstand

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Publication number: DE9111719U1
Application number: DE9111719U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-09-19
Filing date: 1991-09-19
Publication date: 1991-11-07
Anticipated expiration: 2001-09-20
Also published as: WO1993006605A1; ATE126624T1; CA2119366C; CA2119366A1; US5508677A; EP0604481A1; DE59203311D1; EP0604481B1

Description

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Siemens Aktiengesellschaft

Flüssigkeitsgekühlter Hochlastwiderstand

Die Erfindung bezieht sich auf einen f1üssigkeitsgekühlten Hochlastwiderstand.

Aus der EP 0 066 902 B1 ist ein flüssigkeitsgekühlter Leistungswiderstand bekannt. Dieser f1üssigkeitsgekühlte Leistungswiderstand besteht aus einem zylinderförmigen Gehäuse, der mit zwei Flanschen versehen ist. Dieses Gehäuse ist stirnseitig mit einer oberen Deckplatte und einer unteren Deckplatte abgeschlossen. Die Flansche sind in Quaderform ausgebildet, so daß ihre Ecken den Zylinder überragen und zur Verbindung mit den Deckplatten mittels Befestigungsschrauben dienen. Das geschlossene Gehäuse ist mit zwei Anschlüssen für entionisiertes Wasser vorgesehen, wobei im unteren Anschluß eine Eintrittsbohrung und im oberen Anschluß eine Austrittsbohrung vorgesehen sind. Im Inneren des Gehäuses sind vier Blenden befestigt. Sie lassen wechselweise links und rechts je einen Durchflußquerschnitt frei und dienen zur Ablenkung des entionisierten Wassers. Sie sind mit Bohrungen versehen, durch die ein Widerstandsleiter serpentinenartig geführt ist. Somit werden die Blenden gleichzeitig als Halterungen für den Widerstands leiter verwendet. Die obere und untere Deckplatte ist jeweils mit einem Anschlußstift versehen und mittels einer Mutter fixiert. Mit diesen Anschlußstiften ist der Widerstandsleiter verbunden. Bei dieser Ausführungsform des flüssigkeitsgekühlten Leistungswiderstandes betehen der Zylinder mit den Flanschen aus Aluminium und die Deckplatten aus Polypropylen. Das als Kühlflüssigkeit verwendete entionisierte Wasser läuft durch den Leistungswiderstand und wird im Bypassbetrieb dauernd aufbereitet.

Durch die direkte Anordnung des Widerstandsleiters in der Kühlflüssigkeit wird eine wirksame und gleichmäßige Wärmeabfuhr gesichert, wobei die Wärmekapazität verhältnismäßig hoch ist. Trotz der serpentinartigen oder mäanderförmigen Anordnung des

Ur/Bim / 16.09.1991

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Widerstandsleiters weist dieser flüssigkeitsgekühlte Leistungswiderstand immer noch eine hohe Induktivität auf. Außerdem ist sein Widerstandswert verhältnismäßig hoch, beispielsweise 1OJL bis 10OiI.

Aus der DE 36 39 239 A1 ist ein flüssigkeitsgekühlter Widerstand bekannt, der aus einem Hohlkörper und einem in seinem Innenraum angeordneten Widerstandsträger besteht. Dieser Widerstandsträger ist mit Widerstandsdraht bewickelt. Der Hohlkörper und der Widerstandskörper bestehen aus Isoliermaterial und sind durch einen einen Kühlkanal bildenden Zwischenraum voneinander beabstandet. Der ans untere Ende des Hohlkörpers mit einem Kühlmittelzufluß und am oberen Ende des Hohlkörpers mit einem Kühlmittelabfluß in Verbindung steht. Der Widerstandsträger besteht aus einem stabförmigen Körper mit radial angeordneten Armen, auf denen der Widerstandsdraht bidirektional aufgewickelt ist. Die Enden des Widerstandsdrahtes sind jeweils mit einem elektrischen Anschluß verbunden. Ein derartig flüssigkeitsgekühlter Widerstand hat eine geringe Induktivität und kann eine hohe Verlustleistung abführen. Nachteilig ist jedoch, daß derartige Widerstände eine geringe Isolierfestigkeit aufweisen und die Kühlflüssigkeit nicht elektrisch leitend sein darf. Bedingt durch die Verwendung eines dünnen Drahtes als Widerstandsleiter ist der Widerstandswert eines derartigen flüssigkeitsgekühlten Widerstandes sehr groß.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen flüssigkeitsgekühlten Hochlastwiderstand anzugeben, der auf kleinem Raum eine hohe Verlustleistung abführen kann, niederinduktiv ist und einen sehr geringen Widerstandswert aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kammer aus zwei Isolierplatten und einem Isolierring besteht und daß als Widerstandselement eine bifilar gewickelte Leiterbandspirale vorgesehen ist, die derart zwischen den beiden Isolierplatten gespannt ist, daß die Kühlflüssigkeit durch einen rechteckförmigen Kanal strömt.

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Durch die Anordnung des Widerständselemerftes direkt in der Kühlflüssigkeit, wodurch beidseitig am stromführenden Widerstandselement die Kühlflüssigkeit entlangströmt, kann eine hohe Verlustleistung an die Kühlflüssigkeit abgeführt werden. Durch die Ausgestaltung des Widerstandselementes als bifilar gewickelte Leiterbandspirale wird die resultierende Induktivität des Hochlastwiderstandes mimimal gehalten, wobei als Widerstandsmaterial ein Flachband gewählt ist, welches aufgrund der Geometrie im Vergleich zu einem Rundleiter eine niedrige Eigeninduktivität aufweist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Leiterband des Widerstandselementes mit einer Isolierschicht versehen. Als Isolierschicht kann keramisches Material vorgesehen sein, mit dem das Leiterband beschichtet wird. Somit kann man als Kühlflüssigkeit auch leitfähige Kühlflüssigkeit verwenden, beispielsweise Brauchwasser. Ebenso kann man öl als Kühlflüssigkeit verwenden. Ist das Leiterband des Widerstandselementes nicht isoliert, wird als Kühlflüssigkeit entionisiertes Wasser verwendet.

Das Widerstandselement wird in einer bevorzugten Ausführungsform des Hochlastwiderstandes mittels Noppen auf wenigstens einer Isolierplatte mechanisch fixiert. Diese Noppen sind aus elektrisch nicht leitendem Material, beispielsweise Kunststoff. Dadurch vereinfacht sich der Zusammenbau der einzelnen Teile zum Hoch 1 astwiderstand und die Widerstandsspirale weist entlang des Widerstands-Flachbandes eine gleichmäßige Steigung auf, wodurch ein gebildeter Kanal entlang des Flachbandes einen gleichmäßigen Querschnitt aufweist.

Eine weitere Ausführungsform der mechanischen Fixierung des Widerstandselementes ist eine bifilar geführte Nut in einer Isolierplatte des Hochlastwiderstandes.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Hochlastwiderstandes bildet eine Isolierplatte und ein Isolierring dieses Hochlastwiderstandes eine Bauform. Dadurch vereinfacht sich der Zusammenbau erheblich, weil das Widerstandselement zunächst

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in die gebildete Kammer des Hochlastwfderstanäes montiert werden und in einem anschließenden Arbeitsgang dieser vormontierte Hoch 1 astwiderstand mittels der zweiten Isolierplatte flüssigkeitsdicht verschlossen werden kann. Durch die Verwendung einer Baueinheit wird auch nur noch ein Dichtring gebraucht.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung dieses f1üssigkeitsgekühlten Hochlastwiderstandes konnte die Induktivität gegenüber den bekannten Hochlastwiderständen erheblich verringert werden.

Der benötigte Platzbedarf für einen derartigen Hoch lastwiderstand ist gering. Der Widerstandswert kann durch Veränderung der Länge, der Breite oder der Dicke des Leiterbandmaterials eingestellt werden. Für eine bestehende Konstruktion des Gehäuses ist die Variation der Leiterbanddicke zweckmäßig.

Die abzuführende Verlustleistung wird mit der durchströmenden Flüssigkeitsmenge pro Zeiteinheit bestimmt. Beim erfindungsgemäßen Hochlastwiderstand besteht die Möglichkeit, die Leiterbandspirale einfach oder zweifach zu umströmen. Bei der erstgenannten Betriebsart fließt die Kühlflüssigkeit vom Zulauf ins Zentrum des Hochlastwiderstandes - Wendepunkt der bifilar gewickelten Leiterbandspirale - und zurück zum Ablauf. Bei der zweitgenannten Betriebsart sind ein weiterer Zu- und Ablauf im Wendebereich der bifilar gewickelten Leiterbandspirale angeordnet. Dadurch entstehen zwei parallele Kühlkanäle, die gleichsinnig oder gegensinnig mit Kühlflüssigkeit durchströmt werden können. Bei dieser Betriebsart kann pro Zeiteinheit die doppel-■ te Kühlflüssigkeitsmenge durch diesen Hoch 1 astwiderstand strömen, wodurch sich auch die Verlustleistung, die an die Kühlflüssigkeit abgegeben wird, verdoppelt, ohne dabei den Platzbedarf des Hoch 1astwiderstandes zu verändern.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen 6 bis 9 zu entnehmen.

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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen fliissigkeitsgekühlten Hochlastwiderstandes schematisch veranschauli cht ist.
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Figur 1 zeigt eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Hochlastwiderstandes ,
Figur 2 veranschaulicht eine Schnittdarstellung H-II nach Figur 1 , in
Figur 3 ist das Widerstandselement näher dargestellt,

Figur 4 zeigt eine Ausführungsform des elektrischen Anschlusses des Widerstandselementes des Hoch 1astwiderstandes , in

Figur 5 ist eine weitere Schnittdarstellung III-III nach Figur 1 dargestellt und

Figur 6 zeigt eine weitere Schnittdarstellung IV-IV nach Figur 1.

In Figur 1 ist eine Draufsicht des erfindungsgemäßen flüssigkeitsgekühlten Hochlastwiderstandes dargestellt. Dieser Hochlastwiderstand besteht aus einem Gehäuse 2 und einem Widerstandselement 4, das in Figur 3 näher dargestellt ist. Zum besseren Verständnis wird gleichzeitig die zugehörige Schnittdarstellung H-II, dargestellt in Figur 2, mitbeschrieben. Das Gehäuse 2 des Hoch 1astwiderstandes besteht aus einer Kammer 6, in der das Widerstandselement 4 angeordnet ist, und einem Deckel Als Deckel 8 ist eine Isolierplatte vorgesehen, die lösbar mit der Kammer 6 mittels eines umlaufenden Dichtringes 10 flüssigkeitsdicht verschlossen ist. Der Deckel 8 kann auch nicht lösbar mit der Kammer 6 verbunden werden. Die Kammer 6 besteht aus einer Isolierplatte 12 und einem Isolierring 14. Die Ecken des Isolierrings 14 sind als Flansche bzw. Befestigungsfahnen 16 ausgebildet. Die Isolierplatte 12, die den Boden der Kammer 6 bildet, ist ebenfalls mittels eines umlaufenden Dichtrings flüssigkeitsdicht verschlossen. In einer bevorzugten Ausführungsform des Hochlastwiderstandes bildet der Isolierring 14 und die Isolierplatte 12 eine Baueinheit.

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Zur mechanischen Fixierung des Widerstandselementes 4 auf der Isolierplatte 12 sind Noppen 18 aus elektrisch nicht leitendem Material vorgesehen. Diese Noppen 18 sind jeweils abwechselnd beidseitig entlang gedachter radialer Linien auf der Isolierplatte 12 gesteckt. Im Inneren des Widerstandselementes 4 sind Umlenkzapfen 20 und 22 angeordnet, die in der Figur 6 nächer dargestellt sind. Im Randbereich der Kammer 6 sind die elektrischen Anschlüsse 24 und 26 des Widerstandselementes 4 angeordnet. Ebenfalls im Randbereich der Kammer 6 sind in der Isolierplatte 8 ein Zulauf 28 und ein Ablauf 30 für das Kühlmittel angeordnet .

Wie in der Figur 2 dargestellt ist, wird das Widerstandselement 4 mittels der Isolierplatte 8 und der lösbaren Befestigungselemente derart in der Kammer 6 verspannt, daß die Kühlflüssigkeit durch einen rechteckförmigen Kanal 32 strömt.

In der Figur 3 ist das Widerstandselement 4 näher dargestellt.

Als Widerstandselement 4 ist eine bifilar gewickelte Leiterbandspirale 34 vorgesehen, die an ihren freien Enden jeweils mit einem elektrischen Anschluß 24 und 26 versehen ist. Als Widerstandsmaterial kann beispielsweise ein Edelstahlband mit folgenden Maßen 0,5x10x4.000 mm vorgesehen sein. In den Mittelpunkten 36 und 38 dieser bifilar gewickelten Leiterbandspirale 34 sind exzentrisch zum Mittelpunkt 40 der Kammer 6 des Hochlastwiderstandes die Umlenkzapfen 20 und 22 angeordnet. Der Abstand des Mittelpunktes 36 zum Mittelpunkt 40 ist mit a und der Abstand des Mittelpunktes 38 zum Mittelpunkt 36 ist mit b gekennzeichnet. Mittels dieser Abstände können die Biegeradien des Leiterbandes des Widerstandselementes 4 bestimmt werden.

Im Mittelpunkt 36 kann zusätzlich zum Umlenkzapfen 20 ein weiterer Zulauf bzw. ein weiterer Ablauf und im Mittelpunkt 38 kann zusätzlich zum Umlenkzapfen 22 ein weiterer Ablauf bzw. ein weiterer Zulauf angeordnet sein. Durch die bifilar gewikkelte Leiterbandspirale 34 und durch die mittig angeordneten

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Umlenkzapfen 20 und 22 erhält man einen spiralförmigen Kanal 32, durch den die Kühlflüssigkeit immer entgegengesetzt bezogen auf eine Trennwand (Leiterband) strömt. Diese beiden Strömungsrichtungen sind mittels unterbrochener Pfeile gekennzeichnet. Durch den weiteren Zulauf und den weiteren Ablauf wird die einkanalige Ausgestaltung des f1üssigkeitsgeküh lten Hochlastwiderstandes in eine zweikanalige Ausführungsform umgewandelt. Durch die Plazierung des Zulaufs 28, des Ablaufs 30, des weiteren Zulaufs und des weiteren Ablaufs kann das Kühlmittel in den beiden Kanälen in derselben Richtung oder entgegengesetzt fließen. Durch den zweiten Kanal kann die Durchflußmenge der Kühlflüssigkeit verdoppelt werden, wodurch auch die abzuführende Verlustleistung sich verdoppelt.

Da an den elektrischen Anschlüssen 24 und 26 der Leiterstrom zugeführt und abgeführt wird, werden die einzelnen Spiralgänge entgegengesetzt vom Strom durchflossen, wodurch die resultierende Induktivität dieses Widerstandselementes 4 minimal ist.

Dazu trägt auch bei, daß das Widerstandsmaterial die Form eines Flach bandes hat (Figur 4), welches aufgrund der Geometrie im Vergleich zu einem Rundleiter eine niedrigere Eigeninduktivität aufwei st.

Der elektrische Anschluß 24 bzw. 26, von denen in der Figur 4 nur der Anschluß 26 dargestellt ist, besteht aus einem Steg 42, der auf einer Scheibe 44 angeordnet ist. Auf der dem Steg 42 abgewandten Seite der Scheibe 44 ist ein Gewindebolzen 46 angebracht. Die Leiterbandspirale 34 ist mit ihrem freien Ende mit dem Steg 42 elektrisch leitend verbunden. Eine Stirnseite 48 des Steges 42 schließt im eingebauten Zustand mit den Isolierring 14 (Kammerwand) ab und eine zum Eingang des Kühlkanals 32 gerichtete Stegseite 50 ist abgeschrägt, damit die Kühlflüssigkeit möglichst verwirbelungsfrei ein- und austreten kann.

In Figur 5 ist eine weitere Schnittdarstellung III-III nach Figur 1 näher dargestellt. Diese Schnittdarstellung III-III zeigt einer seits einen elektrischen Anschluß 24 und andererseits den in der Isolierplatte 8 angeordneten Zulauf 28. Der elektrische

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Anschluß 24 besteht aus den bereits beschriebenen Teilen Steg 42, Scheibe 44 und Gewindebolzen 46 (Figur 4) und einem Anschlußleiter 52, der mittels einer Mutter 54 und einer Unterlegscheibe 56 mit dem Gewindebolzen 46 elektrisch leitend verbunden ist. Der Zulauf 28 besteht aus einem Stutzen 58, der mittels einer Dichtung 60 flüssigkeitsdicht in der Isolierplatte 8 verankert ist. Auf dem Stutzen 58 ist ein Kühlmittelschlauch 62 eines nicht näher dargestellten Kühlsystems gesteckt. In der dargestellten Schnittdarstellung III-III strömt die Kühlflüssigkeit durch den Schlauch 62 und den Stutzen 58 in den Eingang des Kühlkanals 32, dessen Öffnung in der Schnittebene liegt. D.h. die Kühlflüssigkeit tritt aus der Zeichenebene senkrecht heraus.

In der Figur 6 ist eine weitere Schnittdarstellung IV-IV nach Figur 1 näher dargestellt. Diese Darstellung zeigt die Umlenkzapfen 20 und 22 in der Mitte der Kammer 6 des Hochlastwiderstandes. Diese Umlenkzapfen 20 und 22 dienen jeweils ebenfalls als Aufnahme für ein lösbares Befestigungsmittel 64, mit denen auch im Zentrum des Hochlastwiderstandes die bifilar gewickelte Leiterbandspirale 34 in der Kammer 6 gepreßt wird.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung dieses f1üssigkeitsgekühlten Hoch 1astwiderstands weist dieser Widerstand einen Widerstandswert von nur 0,8SI mit einer Belastbarkeit von 5 kW bei einer Durchflußmenge von 3 l/min bei der einkanaligen Ausführung. Die zweikanalige Ausführungsform weist eine Belastbarkeit von 10 kW bei einer Durchflußmenge von 6 l/min auf. 30

Claims

91 G 3 4 82 OE 9I :- ;": Ca :"· "■' iSchutzansprüche

1. Flüssigkeitsgekühlter Hochlastwiderstand, bestehend aus einem r Gehäuse (2) und einem Widerstandselement (4), wobei das Widerstandselement (4) innerhalb einer von einem Zulauf zum Ablauf (28,30) mit einer Kühlflüssigkeit durchflossenen Kammer (6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (6) aus zwei Isolierplatten (8,12) und einem Isolierring (14) besteht und daß als Widerstandselement (4) eine bifilar gewickelte Leiterbandspirale (34) vorgesehen ist, die derart zwischen den beiden Isolierplatten (8,12) gespannt ist, daß die Kühlflüssigkeit durch einen rechteckförmigen Kanal (32) strömt.

2. Flüssigkeitsgekühlter Hochlastwiderstand nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Leiterband des Widerstandselementes (4) mit einer Isolierschicht versehen ist.

3. Flüssigkeitsgekühlter Hochlastwiderstand nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Leiterband des Widerstandselements (4) mittels Noppen (18) auf einer Isolierplatte (12) mechanisch fixiert ist.

4. Flüssigkeitsgekühlte Hochlastwiderstand nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Leiterband des Widerstandselements (4) mittels einer bifilar geführten •Nut einer Isolierplatte (12) auf dieser Isolierplatte (12) me- -₀ chanisch fixiert ist.

5. Flüssigkeitsgekühlter Hochlastwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Isolierplatte (12) und der Isolierring (14) eine Baueinheit bilden.

6. Flüssigkeitsgekühlter Hochlastwiderstand nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Zu- und Ablauf (28,30) am Randbereich der Kammer (6) des Hochlastwiderstandes angeordnet sind.

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7. Flüssigkeitsgekühlter Hochlastwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Zu- und Ablauf im Bereich der Umlenkzapfen (20,22) des Widerstandselementes (4) angeordnet sind.

8. Flüssigkeitsgekühlter Hochlastwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Anschlüsse (24,26) des Widerstandselementes (4) am Randbereich der Kammer (6) des Hoch 1astwiderstandes angeordnet sind.

9. Flüssigkeitsgekühlter Hochlastwiderstand nach den Ansprüchen 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zu- und Ablauf (28,30) und die elektrischen Anschlüsse (24, 26) fluchtend einander gegenüber angeordnet sind.