EP1592028A2 - Flüssigkeitskühlung für Eisenkern und Wicklungspakete - Google Patents

Flüssigkeitskühlung für Eisenkern und Wicklungspakete Download PDF

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EP1592028A2 EP05005490A EP05005490A EP1592028A2 EP 1592028 A2 EP1592028 A2 EP 1592028A2 EP 05005490 A EP05005490 A EP 05005490A EP 05005490 A EP05005490 A EP 05005490A EP 1592028 A2 EP1592028 A2 EP 1592028A2
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heat
cooling
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absorber
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/08—Cooling; Ventilating
    • H01F27/10—Liquid cooling
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/30—Fastening or clamping coils, windings, or parts thereof together; Fastening or mounting coils or windings on core, casing, or other support
    • H01F27/306—Fastening or mounting coils or windings on core, casing or other support

Definitions

  • the invention is concerned with the cooling of chokes and transformers according to Claim 1.
  • the device should as effectively as possible the heat from the surface record and dissipate and at the same time simple and inexpensive to produce, possibly even be retrofitted, be.
  • the invention solves this problem u.a. in that at least one surface of a Body, for example, the iron core of a mains choke or a transformer, is brought into operative connection with a heat exchanger. This is the Heat dissipation guaranteed directly from the surface and is by means of the Heat exchanger, which is flooded by a cooling fluid, continuously dissipated.
  • the Heat exchanger only one heat absorber and one with the heat absorber in Active connection standing cooling fluid guide comprises, so the overall arrangement more or less consists of only two main components. These Two-component arrangement can also later on the surface heat-absorbing components are attached or placed.
  • the cooling can Therefore, be considered as a modular system, which is not to a certain component is bound or in the construction of a component necessarily to be considered.
  • the heat absorber is a guide plate, preferably a metallic one Plate, in particular made of copper.
  • This will be a large area Heat transfer guaranteed, provided the entire surface with the heat radiating Surface of the component component is in operative connection.
  • the cooling fluid guide preferably by means of a channel is realized, wherein the channel is formed as a columnar hollow body and at least in the area of the active compound with the absorber a square or has rounded cross-section.
  • the fluid can then be targeted and independent of the spatial position of the heat exchanger by means of a suitably sized Pressure to be transported to the heat sources.
  • An angular cross section increases the Contact surface between fluid guide and absorber.
  • a round cross section is cheaper to purchase.
  • the invention is suitable for use on at least one iron core and / or a mains choke, in particular the mains choke of a regenerative Inverter (eg converter series SFT from Indramat Refu GmbH with sinusoidal Feedback).
  • Mains chokes have very high currents (around 600 amps) to process and have relatively high inductances (around 180 ⁇ H). Due to the ohmic Resistance of the windings, either from single wires or even out Copper plates or copper bars, these chokes develop one high heat loss. This heat loss can, if it is not dissipated, too Damage to the insulation and cause business interruptions and according to subsequent costs entail.
  • the device according to the invention possibly also Depending on a particular application, attach later or produce these risks and eliminate unnecessary costs.
  • the same benefits would come with transformers or others electrical components, provided the same concept for cooling purposes would be used.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of the invention and in detail a Heat exchanger 14 with copper plate 12, a meander-shaped cooling coil 13 with 90 ° bends 13a, 180 ° bows 13b, terminal lugs 13c and straight elements 13d and an iron core 11 and winding packages 10th
  • the line reactor of an inverter shown here comprises three components Copper windings 10 are penetrated by three iron core legs 11. Of the Iron core itself is used for channeling the forming during operation magnetic River. At the two end faces of the arrangement is in each case an inventive Cooling device 14 attached.
  • the copper plate 12 can be seen and the Coolant guide 13, which makes sense from a variety of Single components (13a, 13b, 13c, 13d) is formed.
  • the individual components can soldered or welded together.
  • the coolant guide 13 is meander-shaped soldered or otherwise attached to the copper plate and transports the iron core 11 emitted and absorbed by the heat absorber 12 Heat off. Both heat exchangers 14 could be connected in parallel or in series via a Pump be supplied with liquid coolant.
  • the coolant flows through with a From the pressure and cross section dependent force the cooling system and leads the over the Absorber or the pipe walls 13, 13a, 13b, 13c absorbed heat effectively from.
  • the heat absorber also radiates additional heat over its surface to the environment. By enlarging this surface, e.g. by means of ribs, An additional cooling effect could be effected.
  • FIG. 1 shows with the Fig. 1 largely identical components 10, 11, 12, 13, 13a, 13b.
  • the difference from Figure 1 is that the heat exchanger now not to the End faces of the iron core 11 are mounted, but on the upper and lower sides and partially within the iron core encompassed by the copper coil.
  • the sewer system 13 of the coolant is U-shaped, connecting piece 13c are not shown here.
  • the lines 13 are shown here with a round cross-section, the support surface on Absorber 12 is thereby smaller than in a rectangular cross-section. Therefore would be to favor a rectangular cross section or the line 13 should be at least partially embedded in the absorber surface.

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Abstract

Kühlvorrichtung für wärmeemittierende Bauteile 11, welche mittels eines Wärmetauschers 12 eine Wärmeabfuhr unter Verwendung eines zirkulierenden Kühlfluids bewirkt, wobei die Vorrichtung möglichst effektiv die Wärme von der Oberfläche aufnehmen und abführen und gleichzeitig einfach und preiswert herstellbar sein soll. Dies wird dadurch erreicht, dass wenigstens eine Oberfläche eines Bauteils 11 mit dem Wärmetauscher 14 in Wirkverbindung steht und dieser Wärmetauscher 14 von dem Kühlfluid durchflutet ist, wobei der Wärmetauscher 14 einen Wärmeabsorber 12 und eine mit dem Wärmeabsorber in Wirkverbindung stehende Kühlfluidführung 13 umfasst.

Description

Die Erfindung befasst sich mit der Kühlung von Drosseln und Transformatoren gemäß Anspruch 1.
Im Stand der Technik sind Luft- und Wasserkühlungen bekannt. Eine z.B. forcierte Luftkühlung zieht aber große Bauvolumina und zusätzlich erhöhten Geräuschpegel nach sich. Weitere Konsequenz sind eine kürzere Lebensdauer wegen ungünstiger Kühlwirkung und ein hoher umgebungsbedingter Einfluss. Die erhöhte Erwärmung der unmittelbar benachbarten Peripherie und ggf. des Schaltschrankes sind weitere Folgen. Höhere Schutzarten wie IP 54 sind nur schwer zu realisieren.
Die DE 197 01 269 A1 zeigt einen Transformator mit Flüssigkühlung für die galvanische Trennung und Spannungsanpassung von Wechsel- und Drehstromsystemen. Das Kühlmittel durchfließt mehrere Temperaturzonen innerhalb der Wicklungen und führt die Wärme mittels einer Kanalisation ab. Solche Konstruktionen sind aufwendig herzustellen und im Falle einer Leckage werden sie unbrauchbar. Auch eine Nachrüstbarkeit bestehender Transformatoren ist durch diese Lösung nicht gegeben, da die Kühlung als konstruktives Merkmal in die Anordnung integriert ist. Modularität ist nicht gegeben und nicht beabsichtigt.
Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung, insbesondere zur Kühlung von Wicklungspaketen einer Netzdrossel oder eines Transformators, zur Verfügung zu stellen. Die Vorrichtung soll möglichst effektiv die Wärme von der Oberfläche aufnehmen und abführen und gleichzeitig einfach und preiswert herstellbar, ggf. sogar nachrüstbar, sein.
Die Erfindung löst diese Aufgabe u.a. dadurch, dass wenigstens eine Oberfläche eines Körpers, also zum Beispiel der Eisenkern einer Netzdrossel- oder eines Transformators, mit einem Wärmetauscher in Wirkverbindung gebracht wird. Damit ist die Wärmeabfuhr direkt von der Oberfläche gewährleistet und wird mittels des Wärmetauschers, der von einem Kühlfluid durchflutet ist, kontinuierlich abgeführt.
Die preiswerte und einfache Herstellbarkeit lässt sich dadurch realisieren, dass der Wärmetauscher lediglich einen Wärmeabsorber und eine mit dem Wärmeabsorber in Wirkverbindung stehende Kühlfluidführung umfasst, also die Gesamtanordnung aus mehr oder weniger nur zwei Hauptkomponenten besteht. Diese Zweikomponentenanordnung kann auch nachträglich noch an der Oberfläche wärmeabsorbierender Bauteile befestigt oder aufgelegt werden. Die Kühlung kann daher als modular aufgebautes System betrachtet werden, welches nicht an eine bestimmte Komponente gebunden ist oder bei der Konstruktion einer Komponente unbedingt zu berücksichtigen wäre.
Zweckmäßig ist der Wärmeabsorber eine Leitplatte, vorzugsweise eine metallische Platte, insbesondere aus Kupfer hergestellt. Hierdurch wird ein großflächiger Wärmeübergang gewährleistet, sofern die gesamte Fläche mit der wärmeabstrahlenden Fläche der Bauteilkomponente in Wirkverbindung steht.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die Kühlfluidführung vorzugsweise mittels eines Kanals realisiert ist, wobei der Kanal als säulenförmiger Hohlkörper ausgebildet ist und zumindest im Bereich der Wirkverbindung mit dem Absorber einen eckigen oder abgerundeten Querschnitt aufweist. Das Fluid kann dann gezielt und unabhängig von der räumlichen Lage des Wärmetauschers auch mittels eines, geeignet bemessenen Druckes zu den Wärmequellen transportiert werden. Ein eckiger Querschnitt erhöht die Kontaktfläche zwischen Fluidführung und Absorber. Ein runder Querschnitt ist preiswerter zu beziehen.
Verläuft die Kühlfluidführung zumindest im Bereich der Wirkverbindung auf einer Wärmeabsorberoberfläche mäanderförmig, spiralförmig oder U-förmig, so steigert sich der wirksame Wärmeübergang mit der Anzahl der Windungen, da automatisch die wirksame Fläche zunimmt. Bei einer Befestigung der Führung, insbesondere mittels Löt- oder Schweißverbindungen auf der Absorberoberfläche kann eine stabile und lageunabhängige Konstruktion erreicht werden. Natürlich sind auch lösbare Verbindungen mittels Clipsen o.ä. möglich. Das würde den Service- bzw. Wartungsumfang im Falle eines Leitungsbruches erheblich reduzieren.
Bei einem abgerundeten oder runden Querschnitt könnte man mit Löt- oder Schweißbahnen die Kontaktfläche zwischen Führung und Absorber erhöhen. Auch wäre es denkbar die Führung teilweise oder vollständig in den Absorber einzulassen, um eine weitere Steigerung des Wärmeübertragungsverhaltens zu erzielen. Ein Ausgießen eventueller Zwischenräume zwischen Führung und Absorberausnehmungen würde ungenaue Passungen ausgleichen.
Schaltet man zur Kühlung mehrerer Komponenten eines Bauteiles mehrere Wärmetauscher in Reihe oder parallel, so ergibt sich bei der Parallelschaltung eine virtuell größere Querschnittsfläche der Kühlmittelleitung und damit ein verminderter Druck im Röhrensystem. Die Serienschaltung dagegen, würde eine bessere Ausnutzung der Kühlflüssigkeit bewirken, da die Wärme mehrerer Komponenten aufgenommen würde.
Optimal ist die Erfindung geeignet zum Einsatz auf zumindest einem Eisenkern und/oder einer Netzdrossel, insbesondere der Netzdrossel eines rückspeisenden Umrichters (bspw. Umrichterbaureihe SFT von Indramat Refu GmbH mit sinusförmiger Rückspeisung). Netzdrosseln haben sehr hohe Ströme (um 600 Ampere) zu verarbeiten und weisen relativ hohe Induktivitäten auf (um 180 µH). Aufgrund des ohmschen Widerstandes der Wicklungen, die entweder aus einzelnen Drähten oder auch aus Kupferplatten- oder Kupferschienen bestehen können, entwickeln diese Drosseln eine hohe Verlustwärme. Diese Verlustwärme kann, sofern sie nicht abgeführt wird, zu Schäden an der Isolierung und zu Betriebsausfällen führen und dem gemäß Folgekosten nach sich ziehen. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die sich ggf. auch abhängig von einem bestimmten Anwendungsfall nachträglich noch anbringen oder herstellen ließe, werden diese Gefahren gebannt und unnötige Kosten vermieden. Natürlich kämen die gleichen Vorteile auch bei Transformatoren oder anderen elektrischen Bauteilen zum Tragen, sofern das gleiche Konzept zu Kühlzwecken verwendet würde.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung und im Detail einen Wärmetauscher 14 mit Kupferplatte 12, eine mäanderförmig ausgebildete Kühlschlange 13 mit 90°-Bögen 13a, 180°-Bögen 13b, Anschlussnasen 13c und geraden Elementen 13d sowie einen Eisenkern 11 und Wicklungspakete 10.
Die hier dargestellte Netzdrossel eines Umrichters umfasst als Komponenten drei Kupferwicklungen 10 die von drei Eisenkernschenkeln 11 durchdrungen werden. Der Eisenkern selbst dient zur Kanalisierung des sich im Betrieb ausbildenden magnetischen Flusses. An den beiden Stirnseiten der Anordnung ist jeweils eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung 14 befestigt. Deutlich ist die Kupferplatte 12 zu sehen und die Kühlmittelführung 13, welche sinnvollerweise aus einer Vielzahl von Einzelkomponenten (13a, 13b, 13c, 13d) gebildet wird. Die Einzelkomponenten können miteinander verlötet oder verschweißt werden. Die Kühlmittelführung 13 ist mäanderförmig auf der Kupferplatte angelötet oder anderweitig befestigt und transportiert die von Eisenkern 11 emittierte und vom Wärmeabsorber 12 absorbierte Wärme ab. Beide Wärmetauscher 14 könnten parallel oder in Serie geschaltet über eine Pumpe mit flüssigem Kühlmittel versorgt werden. Das Kühlmittel durchflutet mit einer vom Druck und Querschnitt abhängigen Kraft das Kühlsystem und führt die über den Absorber bzw. die Rohrwandungen 13, 13a, 13b, 13c aufgenommene Wärme effektiv ab. Der Wärmeabsorber strahlt außerdem noch zusätzlich Wärme über seine Oberfläche an die Umgebung ab. Durch Vergrößerung dieser Oberfläche, z.B. mittels Rippen, könnte ein zusätzlicher Kühleffekt bewirkt werden.
Es sind außerdem noch weitere, für die Erfindung jedoch nicht relevante und daher nicht näher beschriebene Umrichterkomponenten, wie bspw. Anschlusswinkel, dargestellt.
Fig. 2 zeigt mit der Fig. 1 weitestgehend identische Komponenten 10, 11, 12, 13, 13a, 13b. Der Unterschied zur Figur 1 liegt darin, dass Wärmetauscher nun nicht an den Stirnseiten des Eisenkernes 11 angebracht sind, sondern an den Ober- und Unterseiten und teilweise innerhalb des von der Kupferwicklung umfassten Eisenkernes.
Die Kanalisation 13 des Kühlmittels ist U-förmig ausgebildet, Anschlussstutzen 13c sind hier nicht gezeigt.
Die Leitungen 13 sind hier mit rundem Querschnitt dargestellt, die Auflagefläche am Absorber 12 ist dadurch jedoch geringer als bei einem rechteckigen Querschnitt. Daher wäre ein rechteckiger Querschnitt zu favorisieren oder die Leitung 13 sollte zumindest teilweise in die Absorberoberfläche eingelassen werden.
Die insgesamt 6 Wärmetauscher könnten nun in Reihe oder parallel geschaltet oder in beliebiger Kombination miteinander verschaltet werden. Die in Figur 2 gezeigte Ausführung ist die von der Anmelderin bevorzugte Ausführungsform. Auch eine Kombination aus Figur 1 und Figur 2 wäre selbstverständlich denkbar und machbar, um die Wärmeabfuhr zu maximieren.
Aus beiden Figuren ist leicht zu erkennen, dass eine erfindungsgemäße Kühlung auch bei bestehenden Drosseln/Transformatoren angebracht werden könnte. Dies gilt ohne Einschränkung zumindest für die in Figur 1 beschriebene Lösung. Dem Wunsch nach einer Nachrüstbarkeit für bestehende Lösungen wird daher durch die Erfindung ebenfalls Rechnung getragen. Einfach ließe sich um diese Anordnung eine Umhüllung konstruieren, welche dem Wunsch nach einer möglichst hohen Schutzart und Abschirmung gerecht würde. Die Erfindung gewährleistet eine sehr hohe Modularität.
Bezugszeichenliste
1.0
Wicklungspaket
11
Eisenkern
12
Absorber
13
Kühlkanal
13a
90°-Bogen
13b
180° - Bogen
13c
Anschlussstutzen
13d
Gerade Leitung
14
Wärmetauscher

Claims (6)

  1. Netzdrossel oder Transformator mit Eisenkern (11), Wicklungen (10) und Kühlvorrichtung (12, 13, 14), wobei die Kühlvorrichtung (12, 13, 14) einen Wärmetauscher (14) mit Wärmeabsorber (12) und eine mit dem Wärmeabsorber (12) in Wirkverbindung stehende Kühlfluidführung (13) umfasst, und der Eisenkern (11) mit dem Wärmeabsorber (12) in Wirkverbindung steht, so dass die vom Eisenkern (11) emittierte Wärme abgeführt wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Wärmeabsorber (12) eine Leitplatte ist, vorzugsweise eine metallische Platte, insbesondere aus Kupfer hergestellt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kühlfluidführung (13) vorzugsweise mittels eines Kanals realisiert ist, wobei der Kanal als säulenförmiger Hohlkörper ausgebildet ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Kanal zumindest im Bereich der Wirkverbindung mit dem Absorber (12) einen eckig oder abgerundeten Querschnitt aufweist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlfluidführung (13) zumindest im Bereich der Wirkverbindung auf der Wärmeabsorberoberfläche mäanderförmig, spiralförmige oder U-förmig verläuft.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Kühlung wenigstens eines Körpers (11) mehrere Wärmetauscher (14) in Reihe und/oder parallel geschaltet sind.
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