PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10118369C1 10.10.2002
Titel Kühlvorrichtung für eine elektrische Maschine
Anmelder GEA Maschinenkühltechnik GmbH, 44809 Bochum, DE
Erfinder Franze, Ulrich, Dipl.-Ing., 45701 Herten, DE
Vertreter Bockermann, Ksoll, Griepenstroh, 44791 Bochum
DE-Anmeldedatum 12.04.2001
DE-Aktenzeichen 10118369
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 10.10.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.10.2002
IPC-Hauptklasse H02K 9/02
Zusammenfassung Die Kühlvorrichtung (1) weist zwei in ein mit einem Maschinengehäuse (3) verbundenes Luftführungsgehäuse (4) im Abstand nebeneinander integrierte Wärmetauscher (5) auf. Diese sind im indirekten Wärmetausch einerseits mit von der Maschine (2) herangeführter erwärmter Umluft (eUL) und andererseits aus diametral entgegengesetzten Richtungen (R1, R2) mit Kühlluft (KL) beaufschlagbar. Die erwärmte Kühlluft (eKL) tritt aus dem Bereich (14) zwischen den Wärmetauschern (5) in die Umgebung (U) aus. Die erwärmte Umluft (eUL) passiert die Wärmetauscher (5) im Kreuzstrom zur Kühlluft (KL) in Form von zwei getrennten, jedoch dieselbe Strömungsrichtung aufweisenden Luftströmen in demselben Höhenbereich wie die Kühlluft (KL).

Beschreibung[de]

Zur Kühlung von insbesondere größeren elektrischen Maschinen, wie Motoren oder Generatoren, mittels Kühlluft werden Luft/Luft-Wärmetauscher eingesetzt. Derartige Wärmetauscher gelangen gezielt deshalb zur Anwendung, um ein Verschmutzen der Maschinen mit Partikeln aus der Umgebungsluft zu verhindern.

Die Wärmetauscher befinden sich im allgemeinen in einem Luftführungsgehäuse, das mit dem Gehäuse der Maschine verbunden ist. Durch entsprechende Einbauten im Luftführungsgehäuse sowie mindestens einen Ventilator wird Umluft im geschlossenen Kreislauf über die Maschine und über den Wärmetauscher geführt. An der Maschine nimmt die Umluft Wärme auf und gibt sie am Wärmetauscher durch indirekten Wärmetausch an Kühlluft ab, die aus der Umgebung dem Wärmetauscher zugeleitet wird. Diese Kühlluft trägt dann die Wärme in die Umgebung aus. Auch die Kühlluft wird bevorzugt mittels mindestens eines Ventilators bei entsprechender Führung durch das Luftführungsgehäuse über den Wärmetauscher geführt (Prospekt der GEA Maschinenkühltechnik GmbH "Kühler für elektrische Maschinen").

Aus der Führung der Luft im Luftführungsgehäuse und im Wärmetauscher resultieren Druckverluste, die als zusätzliche Verluste in die Energiebilanz eingehen. Die Praxis strebt daher einen möglichst geringen Luftwiderstand im Wärmetauscher und im Luftführungsgehäuse sowohl für die Umluft als auch für die Kühlluft an, damit der Gesamtwirkungsgrad der jeweiligen elektrischen Maschine nicht negativ beeinflusst wird.

Es sind in diesem Zusammenhang Wärmetauscher bekannt, die aus einem System glatter Rohre bestehen, die meistens außen von der Umluft angeströmt und innen von der Kühlluft durchströmt werden. Werden bei derartigen Wärmetauschern die durchströmten Querschnittsflächen möglichst groß ausgeführt, um den Druckverlust gering zu halten, resultiert hieraus zwangsläufig ein großes Bauvolumen des Wärmetauschers und damit auch des Luftführungsgehäuses. Steht indessen weder für das Luftführungsgehäuse noch für den Wärmetauscher ein solch großes Bauvolumen zur Verfügung, so müssen die durchströmten Querschnittsflächen reduziert werden mit der Folge, dass der Druckverlust überproportional ansteigt.

In der Praxis zählt es ferner zum Stand der Technik, bei verhältnismäßig kleinen Bauvolumen quaderförmige Kühlblöcke zu verwenden, welche Kühlplatten oder Kühlrohre aufweisen. Solche Kühlplatten bzw. Kühlrohre werden abwechselnd um 90° gedreht übereinander gestapelt. Durch entsprechende Anordnungen und Abdichtungen werden dann die in der einen Richtung sich erstreckenden Kühlplatten bzw. Kühlrohre mit Umluft und die dazu um 90° versetzten Kühlplatten bzw. Kühlrohre mit Kühlluft beaufschlagt. Solche Kühlblöcke erbringen eine volumenspezifisch hohe Kühlleistung, weisen aber bedingt durch die geringen Durchströmquerschnitte höhere Druckverluste auf.

Die aus einem Kühlblock resultierenden Druckverluste lassen sich bei feststehender Breite des Luftführungsgehäuses, welche in der Regel auch der Breite des Gehäuses der elektrischen Maschine entspricht, umluifseitig theoretisch nur dann senken, wenn die durchströmte Länge der Kühlblöcke verringert und die durchströmte Querschnittsbreite vergrößert wird. Dieser umluftseitige Vorteil bewirkt jedoch auf der Kühlluftseite genau den entgegengesetzten Effekt. Demzufolge ist bislang durch die erforderlichen Geometrien eine bestimmte Größe des Luftführungsgehäuses vorgegeben.

Darüber hinaus unterscheidet die Praxis bei der Luftkühlung von elektrischen Maschinen zwischen ein- und zweiflutigen Umluftströmen. Beim einflutigen Umluftstrom befindet sich die Überströmöffnung für die erwärmte Umluft aus dem Maschinengehäuse in das Luftführungsgehäuse an einem Wellenende der Maschine und die Übertrittsöffnung für die rückgekühlte Umluft aus dem Luftführungsgehäuse in das Maschinengehäuse am anderen Wellenende. Beim zweiflutigen Umluftstrom wird die erwärmte Umluft mittig aus dem Maschinengehäuse in das Luftführungsgehäuse überführt und tritt jeweils im Bereich der Wellenenden als rückgekühlte Umluft aus dem Luftführungsgehäuse wieder in das Maschinengehäuse über.

Aus der DE 10 06 951 ist eine Kühlvorrichtung für eine elektrische Maschine bekannt, welche mindestens zwei in ein mit einem Maschinengehäuse verbundenen Luftführungsgehäuse mit Abstand nebeneinander integrierte Wärmetauscher aufweist. Diese sind im indirekten Wärmetausch einerseits mit von der Maschine herangeführter erwärmter Umluft und andererseits aus entgegengesetzten Richtungen mit Kühlluft beaufschlagbar. Die erwärmte Kühlluft tritt aus den Wärmetauschern in die Umgebung aus, während die erwärmte Umluft die Wärmetauscher in Form von mehreren, jedoch dieselbe Strömungsrichtung aufweisenden Luftströmen in demselben Höhenbereich wie die Kühlluft passiert.

Die Patent Abstracts of Japan JP 40 00 240 AA zeigt eine Kühlvorrichtung für eine elektrische Maschine, bei der die erwärmte Umluft Wärmetauscher in Form von zwei getrennten Luftströmen passiert.

Schließlich zeigt die WO 01/05017 A1 eine Kühlvorrichtung für eine elektrische Maschine, bei welcher die in der Maschine erwärmte Umluft indirekt durch herangeführte Kühlluft gekühlt wird.

Der Erfindung liegt - ausgehend vom Stand der Technik - die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung für eine elektrische Maschine zu schaffen, bei welcher entweder eine Verkleinerung der Größe des Luftführungsgehäuses bei gleichen Druckverlusten oder eine Verkleinerung der Druckverluste in einem Wärmetauscher bei gleich bleibender Größe des Luftführungsgehäuses gewährleistet werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Danach werden nunmehr in ein mit dem Maschinengehäuse für eine elektrische Maschine (Motor oder Generator) verbundenes Luftführungsgehäuse mindestens zwei Wärmetauscher im Abstand nebeneinander integriert. Die Kühlluft wird in zwei Teilströmen aus verschiedenen Richtungen durch die Wärmetauscher geführt, wodurch der Druckverlust bei gleicher Größe des Luftführungsgehäuses erheblich reduziert werden kann. Dies wird entsprechend der Erfindung dadurch realisiert, dass die erwärmte Umluft die Wärmetauscher im Kreuzstrom zur Kühlluft in Form von zwei getrennten, jedoch dieselbe Strömungsrichtung aufweisenden Luftströmen in demselben Höhenbereich wie die Kühlluft passiert, wobei die Kühlluft aus diametral entgegengesetzten Richtungen die Wärmetauscher beaufschlagt.

Bei einer derartigen Anordnung kann die Kühlluft über die einander abgewandten Querseiten der Wärmetauscher in diese eintreten und die erwärmte Kühlluft aus dem Bereich zwischen den Wärmetauschern wieder in die Umgebung austreten. Es ist aber auch der umgekehrte Weg denkbar, wonach die Kühlluft aus der Umgebung in den Bereich zwischen den Wärmetauschern eintritt, die Wärmetauscher im Kreuzstrom zu der Umluft in entgegengesetzte Richtungen durchströmt und dann an den einander abgewandten Querseiten der Wärmetauscher das Luftführungsgehäuse erwärmt wieder verlässt.

Durch die Aufteilung eines Wärmetauschers in mindestens zwei im Abstand nebeneinander liegende Wärmetauscher, die von der Umluft parallel durchströmt, von der Kühlluft jedoch aus entgegengesetzten Richtungen beaufschlagt werden, kann bei gleicher Größe des Luftführungsgehäuses der Druckverlust deutlich reduziert werden.

Die Luftströmungen werden zweckmäßig mittels Ventilatoren realisiert.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Grundgedankens wird in den Merkmalen des Patentanspruchs 2 gesehen.

Danach besitzt das Luftführungsgehäuse eine rechteckige Konfiguration mit zwei Längs- und zwei Schmalseiten. An einem Ende des Luftführungsgehäuses sind jetzt zwei Wärmetauscher im Abstand nebeneinander angeordnet. Sie werden über ihre der benachbarten ersten Schmalseite des Luftführungsgehäuses zugewandten Stirnseiten von der erwärmten Umluft beaufschlagt. Die rückgekühlte Umluft tritt dann an der zweiten Schmalseite des Luftführungsgehäuses aus diesem in das Maschinengehäuse über. Die Kühlluft kann sowohl von entgegengesetzten Richtungen quer die Wärmetauscher beaufschlagen und aus dem Bereich zwischen den Wärmetauschern über die zweite Schmalseite oder auch die Kopfseite des Luftführungsgehäuses in die Umgebung abströmen. Denkbar ist aber auch, dass die Kühlluft von der zweiten Schmalseite oder der Kopfseite her in den Bereich zwischen den beiden Wärmetauschern eintritt und diese Wärmetauscher in entgegengesetzte Richtungen im Kreuzstrom zur Umluft beaufschlagt.

Bei der Ausführungsform, die im Patentanspruch 3 gekennzeichnet ist, sind vier Wärmetauscher in karreeförmiger Anordnung und jeweils paarweiser Zuordnung in das Luftführungsgehäuse integriert. Hierbei kann es sich um ein quadratisches oder rechteckiges Luftführungsgehäuse mit gleich langen oder ungleich langen Seiten handeln. Die Wärmetauscher werden über ihre einander abgewandten, parallel zur Längsachse der Maschinenwelle verlaufenden Querseiten von der Kühlluft und über ihre der senkrecht zur Maschinenwelle verlaufenden Mittelquerebene des Luftführungsgehäuses zugewandten Stirnseiten von der aus dem Maschinengehäuse in das Luftführungsgehäuse übertretenden erwärmten Umluft beaufschlagt. Diese strömt dann durch die Wärmetauscher, wird dort rückgekühlt und gelangt an den Frontseiten des Luftführungsgehäuses aus dem Luftführungsgehäuse in das Maschinengehäuse. Die Kühlluft kann bei dieser Bauart von den Querseiten her die Wärmetauscher beaufschlagen, wird hier erwärmt und tritt aus dem Bereich zwischen den Wärmetauschern nach oben oder zu den Frontseiten hin aus dem Luftführungsgehäuse aus. Auch die umgekehrte Strömungsrichtung ist denkbar, wonach die Kühlluft von den Frontseiten oder von der Kopfseite her in die Bereiche zwischen die Wärmetauscherpaare eintritt, diese in entgegengesetzte Richtungen durchströmt und an den Querseiten erwärmt in die Umgebung verlässt.

Die Gestaltung der Wärmetauscher ist im Prinzip beliebig, sofern sie ohne wesentlichen Druckverlust den Wärmetausch zwischen Umluft und Kühlluft im Kreuzstrom gewährleisten. Eine vorteilhafte Ausführungsform wird aber in den Merkmalen des Patentanspruchs 4 erblickt. Hierbei sind die Wärmetauscher als Kühlblöcke in Sandwichbauart mit parallel zu einer die Längsachse der Maschinenwelle schneidenden Ebene sowie parallel zur Strömungsrichtung der Kühlluft verlaufenden Schichten gestaltet, von denen abwechselnd eine Schicht von der Kühlluft und die benachbarte Schicht im Kreuzstrom von der erwärmten Umluft beaufschlagt sind.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Perspektive eine Kühlvorrichtung für eine elektrische Maschine;

Fig. 2 in vergrößertem Maßstab den Ausschnitt II der Fig. 1;

Fig. 3 in schematischer Perspektive eine Kühlvorrichtung für eine elektrische Maschine gemäß einer zweiten Ausführungsform und

Fig. 4 in vergrößertem Maßstab den Ausschnitt IV der Fig. 3.

Mit 1 ist in der Fig. 1 eine Kühlvorrichtung für eine elektrische Maschine, wie beispielsweise einen Motor oder einen Generator, bezeichnet. Die nur durch die Längsachse 2 der Maschinenwelle veranschaulichte elektrische Maschine befindet sich in einem lediglich hinsichtlich ihres oberen Bereichs dargestellten Maschinengehäuse 3. Auf dem Maschinengehäuse 3 ist ein mit diesem lösbar verbundenes Luftführungsgehäuse 4 angeordnet, das der rechteckigen Konfiguration des Maschinengehäuses 3 angepasst ist.

An einem Ende des Luftführungsgehäuses 4 sind im Abstand nebeneinander zwei Wärmetauscher 5 vorgesehen. Diese Wärmetauscher 5 sind gemäß Fig. 2 als Kühlblöcke in Sandwichbauart ausgebildet. Die einzelnen Schichten 6, 7 verlaufen in Ebenen, welche parallel zu der die Längsachse 2 der Maschinenwelle schneidenden Ebene angeordnet sind.

Abwechselnd wird eine Schicht 6 von der im Maschinengehäuse 3 erwärmten Umluft eUL und die andere Schicht 7 von der Kühlluft KL im Kreuzstrom beaufschlagt.

Wie aus der Fig. 1 näher zu erkennen ist, tritt die im Maschinengehäuse 3 erwärmte Umluft eUL über eine Öffnung 8 benachbart einer 1. Schmalseite 9 des Luftführungsgehäuses 4 in dieses ein und beaufschlagt die der 1. Schmalseite 9 benachbarten Stirnseiten 10 der Wärmetauscher 5. Die in den Wärmetauschern 5 gekühlte Umluft gUL gelangt dann am anderen Ende des Luftführungsgehäuses 4 über eine dort vorgesehene, benachbart der 2. Schmalseite 11 liegende Öffnung 12 zurück in das Maschinengehäuse. Sowohl die erwärmte Umluft eUL als auch die gekühlte Umluft gUL sind jeweils zur Erhaltung der Zeichnungsübersichtlichkeit mit nur einem Stromfaden dargestellt.

Die Kühlluft KL (verstärkte Linienführung) tritt von den einander abgewandten Querseiten 13, also aus entgegengesetzten Richtungen R1, R2 in die Wärmetauscher 5 ein und verlässt diese erwärmt im Bereich 14 zwischen den beiden Wärmetauschern 5. Von hier aus wird die erwärmte Kühlluft eKL getrennt zu der gekühlten Umluft gUL in Längsrichtung des Luftführungsgehäuses 4 geführt und tritt an der 2. Schmalseite 11 aus diesem in die Umgebung U aus.

Die Strömung der Umluft eUL, gUL und der Kühlluft KL, eKL wird bevorzugt durch nicht näher dargestellte Ventilatoren bewirkt, die in dem Bereich des Luftführungsgehäuses 4 zwischen den Wärmetauschern 5 und der 2. Schmalseite 11 liegen. Selbstverständlich sind auch die Ströme der Umluft eUL, gUL und der Kühlluft KL, eKL durch entsprechende Einbauten voneinander getrennt.

Bei der in der Fig. 3 veranschaulichten Ausführungsform einer Kühlvorrichtung 1a sind vier Wärmetauscher 5 in karreeförmiger Anordnung und paarweiser Zuordnung in das Luftführungsgehäuse 4 integriert. Auch diese Wärmetauscher 5 sind, wie die Fig. 4 erkennen lässt, als Kühlblöcke in Sandwichbauart ausgebildet. Die einzelnen Schichten 6, 7 werden abwechselnd von der erwärmten Umluft eUL und von der Kühlluft KL beaufschlagt.

Die Wärmetauscher 5 werden über ihre einander abgewandten parallel zur Längsachse 2 der Maschinenwelle verlaufenden Querseiten 13 von der Kühlluft KL (verstärkte Linienführung) und mit ihren der senkrecht zur Längsachse 2 verlaufenden Mittelquerebene des Luftführungsgehäuses 4 zugewandten Stirnseiten 15 von der im Maschinengehäuse 3 erwärmten Umluft eUL beaufschlagt.

Dazu tritt die erwärmte Umluft eUL aus dem Maschinengehäuse 3 zwischen den der Mittelquerebene benachbarten Stirnseiten 15 der Wärmetauscher 5 über eine Öffnung 16 in das Luftführungsgehäuse 4 ein und die gekühlte Umluft gUL tritt zwischen den einander abgewandten Stirnseiten 17 der Wärmetauscher 5 und den diesen benachbarten Frontseiten 18 des Luftführungsgehäuses 4 über die dort vorgesehenen Öffnungen 19 in das Maschinengehäuse 3 über.

Die erwärmte Kühlluft eKL tritt aus dem Bereich 14 zwischen zwei Wärmetauschern 5 über die jeweils angrenzende Frontseite 18 des Luftführungsgehäuses 4 in die Umgebung U aus. Bezugszeichenaufstellung 1 Kühlvorrichtung

1a Kühlvorrichtung

2 Maschine

3 Maschinengehäuse

4 Luftführungsgehäuse

5 Wärmetauscher

6 Schicht v. 5

7 Schicht v. 5

8 Öffnung f. eUL

91. Schmalseite v. 4

10 Stirnseiten v. 5

112. Schmalseite v. 4

12 Öffnung f. gUL

13 Querseiten v. 5

14 Bereich zw. 5

15 Stirnseiten v. 5

16 Öffnung zw. 15f. eUL

17 Stirnseiten v. 5

18 Frontseiten v. 4

19 Öffnungen f. gUL

KL Kühlluft

eKL erwärmte Kühlluft

eUL erwärmte Umluft

gUL gekühlte Umluft

R1 Richtung v. KL

R2 Richtung v. KL

U Umgebung


Anspruch[de]
  1. 1. Kühlvorrichtung für eine elektrische Maschine (2), welche mindestens zwei in ein mit einem Maschinengehäuse (3) verbundenes Luftführungsgehäuse (4) mit Abstand nebeneinander integrierte Wärmetauscher (5) aufweist, die im indirekten Wärmetausch einerseits mit von der Maschine (2) herangeführter erwärmter Umluft (eUL) und andererseits aus diametral entgegengesetzten Richtungen (R1, R2) mit Kühlluft (KL) beaufschlagbar sind, wobei die erwärmte Kühlluft (eKL) aus den Wärmetauschern (5) in die Umgebung (U) austritt, und die erwärmte Umluft (eUL) die Wärmetauscher (5) im Kreuzstrom zur Kühlluft (KL) in Form von zwei getrennten, jedoch dieselbe Strömungsrichtung aufweisenden Luftströmen in demselben Höhenbereich wie die Kühlluft (KL) passiert.
  2. 2. Kühlvorrichtung nach Patentanspruch 1, bei welcher zwei Wärmetauscher (5) bei einem rechteckigen Luftführungsgehäuse (4) an einem Ende des Luftführungsgehäuses (4) angeordnet, mit ihren einander abgewandten, parallel zur Längsachse (2) der Maschinenwelle verlaufenden Querseiten (13) von der Kühlluft (KL) und mit ihren der benachbarten 1. Schmalseite (9) des Luftführungsgehäuses (4) zugewandten Stirnseiten (10) von der erwärmten Umluft (eUL) beaufschlagbar sind, wobei die erwärmte Kühlluft (eKL) das Luftführungsgehäuse (4) über die den von der erwärmten Umluft (eUL) beaufschlagten Stirnseiten (10) der Wärmetauscher (5) abgewandte 2. Schmalseite (11) oder die Kopfseite in die Umgebung (U) austritt, die erwärmte Umluft (eUL) aus dem Maschinengehäuse (3) zwischen der 1. Schmalseite (9) und den Stirnseiten (10) der Wärmetauscher (5) in das Luftführungsgehäuse (4) eintritt und die gekühlte Umluft (gUL) benachbart der 2. Schmalseite (11) aus dem Luftführungsgehäuse (4) in das Maschinengehäuse (3) übertritt.
  3. 3. Kühlvorrichtung nach Patentanspruch 1, bei welcher vier Wärmetauscher (5) in karreeförmiger Anordnung und paarweiser Zuordnung in das Luftführungsgehäuse (4) integriert, mit ihren einander abgewandten, parallel zur Längsachse (2) der Maschinenwelle verlaufenden Querseiten (13) von der Kühlluft (KL) und mit ihren der senkrecht zur Längsachse (2) verlaufenden Mittelquerebene des Luftführungsgehäuses (4) zugewandten Stirnseiten (15) von der erwärmten Umluft (eUL) beaufschlagbar sind, wobei die erwärmte Kühlluft (eKL) aus den Bereichen (14) zwischen zwei Wärmetauschern (5) über die jeweils angrenzende Frontseite (18) des Luftführungsgehäuses (4) oder die Kopfseite in die Umgebung (U) austritt, die erwärmte Umluft (eUL) aus dem Maschinengehäuse (3) zwischen den der Mittelquerebene benachbarten Stirnseiten (15) der Wärmetauscher (5) in das Luftführungsgehäuse (4) eintritt und die gekühlte Umluft (gUL) zwischen den einander abgewandten Stirnseiten (17) der Wärmetauscher (5) und den diesen benachbarten Frontseiten (18) des Luftführungsgehäuses (4) aus diesem in das Maschinengehäuse (3) übertritt.
  4. 4. Kühlvorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, bei welcher die Wärmetauscher (5) als Kühlblöcke in Sandwichbauart mit parallel zu einer die Längsachse (2) der Maschinenwelle schneidenden Ebene sowie parallel zur Strömungsrichtung der Kühlluft (KL) verlaufenden Schichten (6, 7) gestaltet sind, von denen abwechselnd eine Schicht (6) von der erwärmten Umluft (eUL) und die benachbarte Schicht (7) von der Kühlluft (KL) beaufschlagt sind.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com