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Title:
FLUID DUCT ARRANGEMENT FOR A COOLING DEVICE, IN PARTICULAR FOR A COOLING JACKET OF AN ELECTRIC MACHINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/207205
Kind Code:
A1
Abstract:
A fluid duct arrangement (10) for a cooling device is described, having two fluid ports (12) which form a fluid inlet (12a) and a fluid outlet (12b) and which are arranged spatially adjacent to one another so as to form a mutual spacing region (14). The fluid duct arrangement (10) comprises a bridge duct (18) which extends at least substantially within the spacing region (14) and in which there is provided a partition (20) which prevents a flow connection between the fluid ports (12), and said fluid duct arrangement furthermore comprises a main duct (16) which extends substantially outside the spacing region (14). It is proposed that, in the region of one of the fluid ports (12), there are provided fluid-guiding means (22) which divide a fluid flow (24) passing through said fluid port (12) and the main duct (16) into a bridge-duct flow (24a) and a main-duct partial flow (24b), and wherein a flow direction of the bridge-duct flow (24a) within the bridge duct (18) is diverted by the partition (20), and wherein the bridge-duct flow (24a) is, in a manner dependent on a flow direction in the region of the fluid port (12) or in the main duct (16), merged with the main-duct partial flow (24b) again to form the fluid flow (24).

Inventors:
NEIDHARDT, Philipp (Birkenstr. 9, Üchtelhausen, 97532, DE)
Application Number:
EP2017/060635
Publication Date:
December 07, 2017
Filing Date:
May 04, 2017
Export Citation:
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Assignee:
ZF FRIEDRICHSHAFEN AG (Löwentaler Straße 20, Friedrichshafen, 88046, DE)
International Classes:
H02K1/20; H02K9/19
Domestic Patent References:
WO2012066069A22012-05-24
Foreign References:
DE102014204816A12015-09-17
DE102005044834A12007-03-22
DE102013222697A12015-05-13
DE19954434A12001-05-17
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Claims:
Patentansprüche

1. Fluidkanalanordnung 10 für eine Kühleinrichtung, insbesondere für einen Kühlmantel einer elektrischen Maschine, mit

- zwei Fluidanschlüssen 12, welche einen Fluideinlass 12a und einen Fluidaus- lass 12b bilden und die unter Ausbildung eines gegenseitigen Abstandsbereichs 14 räumlich zueinander benachbart angeordnet sind und mit

- einem sich zumindest im Wesentlichen innerhalb des Abstandsbereichs 14 zwischen den Fluidanschlüssen 12 erstreckenden Brückenkanal 18, wobei

- in dem Brückenkanal 18 eine Trennwand 20 vorgesehen ist, welche eine

Strömungsverbindung zwischen den Fluidanschlüssen 12 unterbindet und mit

- einem sich im Wesentlichen außerhalb des Abstandsbereichs 14 zwischen den Fluidanschlüssen 12 erstreckenden Hauptkanal 16,

dadurch gekennzeichnet,

- dass im Bereich eines Fluidanschlusses 12 Fluidleitmittel 22 vorgesehen sind, welche einen diesen Fluidanschluss 12 und den Hauptkanal 16 durchtretenden Fluidstrom 24 in einen Brückenkanalstrom 24a und in einen Hauptkanalteilstrom 24b aufteilen und

- dass eine Strömungsrichtung des Brückenkanalstroms 24a innerhalb des Brückenkanals 18 durch die Trennwand 20 umgelenkt wird und

- dass der Brückenkanalstrom 24a in Abhängigkeit von einer Strömungsrichtung im Bereich des Fluidanschlusses 12 oder im Hauptkanal 16 mit dem Hauptkanalteilstrom 24b wieder zu dem Fluidstrom 24 vereinigt wird.

2. Fluidkanalanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand 20 im Brückenkanal 18 im Bereich des Fluidauslasses 12b angeordnet ist.

3. Fluidkanalanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitmittel 22 eine Drossel 22a umfassen.

Description:
Fluidkanalanordnunq für eine Kühleinrichtung, insbesondere für einen Kühlmantel einer elektrischen Maschine

Die Erfindung betrifft eine Fluidkanalanordnung für eine Kühleinrichtung, insbesondere für einen Kühlmantel einer elektrischen Maschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 , wie diese beispielsweise in der DE 199 54 434 A1 beschrieben ist.

Elektrische Maschine und andere elektronische Baugruppen, beispielsweise eine Leistungselektronik zum Steuern einer elektrischen Maschine weisen zur Abführung von Wärmeverlusten üblicherweise eine Kühleinrichtung auf, wobei ein in einem Kühlkanal strömendes Kühlmedium die Verlustwärme aufnimmt und zu einem Wärmetauscher wegtransportiert. Insbesondere bei einer elektrischen Maschine ist es dabei ein Ziel, eine räumlich gleichmäßige Kühlung mit einer über den gesamten Umfang eines Stators möglichst homogenen Temperaturverteilung darzustellen.

Es hat sich gezeigt, dass insbesondere im Bereich eines Fluideinlasses und Flu- idauslasses eines Kühlmantels lokale Überhitzungen auftreten können, welche die Ausbildung eines in Umfangsrichtung homogenen Temperaturprofils stören. Bei der in der oben erwähnten DE 199 54 434 A1 offenbarten elektrischen Maschine sind die Fluidanschlüsse durch eine Trennwand separiert. Bei der praktischen Umsetzung der dort vorgeschlagenen Lösung müssen die Fluidanschlüsse am Stator unter Berücksichtigung der Baugröße der Anschlüsse und einer Montagefreiheit jedoch soweit beabstandet werden, dass dieser Abstandsbereich, insbesondere ein jeweiliger Kanalabschnitt zwischen einem Fluidanschluss und der Trennwand nur ungenügend von dem Kühlmittel durchströmt und somit ungenügend gekühlt wird, was die Ausbildung von Hot Spots zur Folge haben kann. Außerdem können sich dort Rückstände, insbesondere organische Ablagerungen sammeln, was die Kühlung weiter vermindert.

Zur Verbesserung der Durchströmung kann in dem Bereich zwischen den Fluidan- schlüssen ein Kurzschlusskanal, also ein Bypass, vorgesehen werden. Es ist jedoch problematisch, die Volumenströme im Haupt- und Kurschlusskanal auf eine definier- te Kühlleistung einzustellen, dass sich auch eine gewünschte Temperaturverteilung ergibt.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine gattungsgemäße Fluidkanalanordnung für eine Kühleinrichtung, insbesondere für einen Kühlmantel einer elektrischen Maschine darzustellen, welche beim Durchfließen von einem Kühlmittel im Abstandsbereich der Fluidanschlüsse eine gleichmäßigere Temperaturverteilung ermöglicht.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch eine Fluidkanalanordnung für eine Kühleinrichtung mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Figurenbeschreibung entnehmbar.

Die Lösung der Aufgabe sieht demnach zunächst eine Fluidkanalanordnung für eine Kühleinrichtung, insbesondere für einen Kühlmantel einer elektrischen Maschine vor mit zwei Fluidanschlüssen, welche einen Fluideinlass und einen Fluidauslass bilden und die unter Ausbildung eines gegenseitigen Abstandsbereichs räumlich zueinander benachbart angeordnet sind. Dabei ist ein sich zumindest im Wesentlichen innerhalb des Abstandsbereichs zwischen den Fluidanschlüssen erstreckendender Brückenkanal vorgesehen, wobei in dem Brückenkanal eine Trennwand eingebracht ist, welche eine Strömungsverbindung zwischen den Fluidanschlüssen unterbindet. Weiter erstreckt sich im Wesentlichen außerhalb des zuvor genannten Abstandsbereichs ein Hauptkanal, der somit einen Hauptanteil einer Wärmeaustauschzone der Kühleinrichtung ausbildet.

Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, im Bereich eines Fluidanschlusses Fluidleitmittel vorzusehen, welche einen diesen Fluidanschluss und den Hauptkanal durchtretenden Fluidstrom in einen Brückenkanalstrom und in einen Hauptkanalteilstrom aufteilen. Der Brückenkanalstrom durchströmt somit den Bereich zwischen einem Fluidanschluss und der Trennwand, wobei eine Strömungsrichtung des Brü- ckenkanalstroms innerhalb des Brückenkanals durch die Trennwand umgelenkt wird. Schließlich wird der Brückenkanalstrom in Abhängigkeit von einer Strömungsrichtung im Bereich des Fluidanschlusses oder im Hauptkanal, insbesondere außerhalb des Abstandsbereichs, mit dem Hauptkanalteilstrom wieder zu dem Fluidstrom vereinigt.

Durch diese Ausbildung wird die gesamte Fluidkanalanordnung, also auch der zwischen den Fluidanschlüssen vorhandene Abstandsbereich bzw. die zwischen einem Fluidanschluss und der Trennwand existierenden Kanalabschnitte bis unmittelbar an die Trennwand heran mit einer Fluidströmung eines Kühlmittels beaufschlagt, so dass Fluidkanalabschnitte mit„stehendem Kühlfluid" im Wesentlichen vermieden werden und eine Homogenisierung eines Temperaturprofils erreicht werden kann. Gleichfalls kann auch die Ausbildung eines Bypasses zwischen den Fluidanschlüssen und eine in Folge auftretende unerwünschte Fluidmischzone vermieden werden. Als weiterer Vorteil können infolge der vorgeschlagenen Fluidkanalanordnung die Fluidanschlüsse innerhalb bestimmter Grenzen weiter als bisher üblich voneinander beabstandet werden. Noch weiter können nun auch Gasansammlungen und Ablagerungen im genannten Abstandsbereich der Fluidkanalanordnung sicher vermieden werden.

Die Fluidleitmittel können grundsätzlich im Bereich des Fluideinlasses oder auch im Bereich des Fluidauslasses angeordnet sein. Die vorgeschlagene Lösung ist allgemein von einer Strömungsrichtung unabhängig.

Grundsätzlich kann die im Brückenkanal ausgebildete Trennwand an einer beliebigen Position vorgesehen sein, zum Beispiel etwa mittig oder zu einem der Fluidanschlüsse hin verlagert. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Trennwand im Brückenkanal im Bereich des Fluidauslasses angeordnet sein. Auf diese Weise kann ein Teil des über den Fluideinlass in die Fluidkanalanordnung mit einer vergleichsweise niedrigen Temperatur eintretender Fluidstrom, das heißt der Brü- ckenkanalstrom zunächst auch den im Wesentlichen gesamten Brückenkanal durchströmen und den im Wesentlichen gesamten Abstandsbereich zwischen den Fluidanschlüssen effektiv kühlen.

Die in der Fluidkanalanordnung vorgesehenen Fluidleitmittel können grundsätzlich auf verschiedene Art und Weise dargestellt werden und dabei verschiedene Maß- nahmen umfassen. Beispielsweise kann als ein Fluidleitmittel eine im Bereich eines Fluidanschlusses eingezogene und sich zumindest teilweise in Richtung des jeweils anderen Fluidanschlusses erstreckende Kanalzwischenwand vorgesehen sein, welche mit einem Abstand vor der Trennwand endet oder einen Durchgang zur Umlen- kung der Strömungsrichtung des Brückenkanalstroms aufweist. Vorteilhaft kann das Fluidleitmittel auch eine Drossel umfassen, welche insbesondere in Verbindung mit der vorgenannten Kanalzwischenwand zwischen dem Fluidanschluss und dem Hauptkanal angeordnet und von dem Hauptkanalteilstrom durchströmt werden kann. Durch die Drossel wird der Leitungsquerschnitt verengt und somit ein lokaler Strömungswiderstand erzeugt. Die Wirkung des Fluidleitmittels, insbesondere der Drossel, besteht darin, eine Druckdifferenz zu erzeugen, durch welche eine Fluidströmung im Brückenkanal angeregt wird. In dem Brückenkanal ist lediglich ein vergleichsweise geringer Volumenstrom erforderlich, so dass der durch das Fluidleitmittel erzeugte Druckverlust nur vergleichsweise gering sein kann. Das Fluidleitmittel, insbesondere die Drossel, kann zum Beispiel durch eine lokale Verengung der Kanalwand oder durch eine entsprechende Formgestaltung der Kanalzwischenwand erfolgen. Es ist möglich, die zwischen den Fluidanschlüssen vorgesehene Trennwand als Fluidleitmittel zu formen und gegebenenfalls an dieser auch die Drossel auszubilden. Zur Ausbildung einer Drossel sind zahlreiche andere in der Fluidkanalanordnung eingebrachte Strukturen wie zum Beispiel Zylinder oder Würfel usw. möglich. Als Fluidleitmittel kann auch eine Blende vorgesehen sein.

Die Fluidleitmittel können auch zusätzlich oder anstelle eines festen Strömungswiderstands einen veränderlichen Strömungswiderstand, etwa als eine veränderliche bzw. anpassbare Drossel umfassen, um somit eine lokal gewünschte Temperaturverteilung noch besser einstellen zu können.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer in den Figuren dargestellten Ausführungsform beispielhaft erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Fluidkanalanordnung mit im Bereich eines Fluidanschlusses ausgebildeten Fluidleitmitteln. Figur 1 zeigt schematisch eine Fluidkanalanordnung 10 für eine hier nicht weiter zeichnerisch dargestellte Kühleinrichtung, die insbesondere für einen Kühlmantel einer elektrischen Maschine vorgesehen sein kann. Die Fluidkanalanordnung 10 weist zwei Fluidanschlüsse 12 auf, welche in Abhängigkeit von einer Strömungsrichtung eines Kühlfluids einen Fluideinlass 12a und einen Fluidauslass 12b bilden und die unter Ausbildung eines gegenseitigen Abstandsbereichs 14 räumlich zueinander benachbart angeordnet sind. Vorliegend bildet der Fluidanschluss 12 den Fluideinlass 12a und der Fluidanschluss 12 den Fluidauslass 12b aus, wobei sich außerhalb des gegenseitigen Abstandsbereichs 14 ein Hauptkanal 16 erstreckt, der den größten Teil eines Kühlmantels und damit den Hauptanteil einer Wärmeaustauschzone der Kühleinrichtung ausbildet.

Es ist erkennbar, dass auch im Abstandsbereich 14 zwischen den Fluidanschlüs- sen 12 ein Fluidkanal vorliegt und dort einen Brückenkanal 18 ausbildet. In diesem Brückenkanal 18 ist eine Trennwand 20 vorgesehen, welche eine Strömungsverbindung zwischen den Fluidanschlüssen 12 unterbindet. Im hier erläuterten Ausführungsbeispiel ist die Trennwand 20 im Brückenkanal 18 im Bereich des Fluidauslas- ses 12b, insbesondere unmittelbar am Fluidauslass 12b vorgesehen.

Weiter sind im Bereich des Fluideinlasses 12a Fluidleitmittel 22 in Form einer Kanalzwischenwand 22a vorgesehen, die sich vom Fluideinlass 12a aus in Richtung des Hauptkanals 16 und ebenso im Brückenkanal 18 in Richtung der Trennwand 20 erstreckt. Die Kanalzwischenwand 22a unterteilt den Brückenkanal 18 somit in parallel angeordnete, jedoch strömungsmäßig in Reihe geschaltete Brückenkanalabschnit- te 18a, b. Die Kanalzwischenwand 22a teilt damit einen durch den Fluideinlass 12a eintretenden Fluidstrom 24 in einen Brückenkanalstrom 24a und in einen Hauptkanalteilstrom 24b auf. Wie durch die Pfeile angedeutet, wird die Strömungsrichtung des Brückenkanalstroms 24a innerhalb des Brückenkanals 18 durch die Trennwand 20 umgelenkt, wodurch der Brückenkanalstrom 24a ebenso wie der Hauptkanalteilstrom 24b in Richtung des Hauptkanals 16 fließen kann. Der Brückenkanalstrom 24b wird vorliegend außerhalb des Abstandsbereichs 14 bzw. außerhalb der Erstreckung der Kanalzwischenwand 22 im Hauptkanal 16 mit dem Hauptkanal- teilstrom 24b wieder zu dem Fluidstrom 24 vereinigt, welcher als ein Hauptkanalflu- idstrom den Hauptkanal 16 bis zum Austritt aus dem Fluidauslass 12b durchströmt.

Zur Anregung einer Fluidstromung in dem Brückenkanal 18 ist als ein weiteres Fluid- leitmittel 22 in einem Hauptkanalteil 16a zwischen dem Fluideinlass 12a und dem Hauptkanal 16 eine hier ebenfalls lediglich schematisch dargestellte Drossel 22b vorgesehen, welche eine Fluid-Druckdifferenz erzeugt und somit eine Fluidstromung im Brückenkanal 18 anregt.

Durch die erläuterte Ausbildung der Fluidkanalanordnung 10 kann auch in dem gegenseitigen Abstandsbereich 14 von Fluideinlass 12a und Fluidauslass 12b eine hinreichende Kühlwirkung erzielt und dort somit die Ausbildung eines Hot Spot vermieden werden.

Bezuqszeichen

Fluidkanalanordnung

Fluidanschluss

a Fluideinlass

b Fluidauslass

Abstandsbereich

Hauptkanal

Brückenkanal

a, b Brückenkanalabschnitt

Trennwand

Fluidleitmittel

a Kanalzwischenwand

b Drossel

Fluidstrom

a Brückenkanalstrom

b Hauptkanalteilstrom