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Title:
THERMALLY INSULATED RADIATOR ELEMENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/115130
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an electrical device (5), e.g. a transformer or an inductor, for connecting to a high-voltage network, comprising a boiler (6) which is filled with an insulating fluid (7) and in which a magnetisable core (8) and at least one winding (9) are arranged. A cooling system (11) is also provided, comprising at least one radiator (1) which is arranged outside the boiler (6) and is connected to same for circulating the insulating fluid (7) via the radiator (1), wherein the radiator (1) has at least two heat exchange elements (3) connected in parallel to one another. According to the invention, in order to cost-effectively accelerate a cold start, one of the heat exchange elements (3) is fitted with a thermal insulation unit (13) which reduces the heat transfer from the insulating fluid into the insulated heat exchange element to the atmosphere in comparison with a heat exchange element with no thermal insulation unit.

Inventors:
BACHINGER FLORIAN (AT)
Application Number:
EP2018/081311
Publication Date:
June 20, 2019
Filing Date:
November 15, 2018
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (80333, DE)
International Classes:
H01F27/02; H01F27/12
Foreign References:
KR20140003957A2014-01-10
DE102016200742B32017-06-22
DE317410C1919-12-18
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Claims:
Patentansprüche

1. Elektrisches Gerät (5) zum Anschluss an ein Hochspannungs netz mit

- einem Kessel (6), der mit einem Isolierfluid (7) befüllt ist und in dem ein magnetisierbarer Kern (8) und wenigs tens eine Wicklung (9) angeordnet sind, und

- einer Kühlanlage (11), die wenigstens einen Radiator (1) umfasst, der außerhalb des Kessels (6) angeordnet und mit diesem zum Umwälzen des Isolierfluids (7) über den Radiator (1) verbunden ist, wobei der Radiator (1) we nigstens zwei einander parallel geschaltete Wärmeaus tauschglieder (3) aufweist,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

eines der Wärmeaustauschglieder (3) mit einer Wärmedämmein heit (13) ausgerüstet ist, die den Wärmeübergang vom Isolier fluid im gedämmten Wärmeaustauschglied zur Außenatmosphäre im Vergleich zu einem Wärmeaustauschglied, das keine Wärmedämm einheit aufweist, herabsetzt.

2. Elektrisches Gerät (5) nach Anspruch 1,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

nur ein Wärmeaustauschglied (12) mit einer Wärmedämmeinheit ausgerüstet ist.

3. Elektrisches Gerät (5) nach Anspruch 2,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

jeder Radiator (1) einen oberen Zulauf (2) und einen unteren Rücklauf (4) aufweist, die jeweils mit dem Kessel (6) über die Wärmeaustauschglieder (3) miteinander verbunden sind, wo bei das mit der Wärmedämmeinheit ausgerüstete Wärmeaustausch glied als innerstes Wärmeaustauschglied (12) den geringsten Abstand zum Kessel (6) aufweist.

4. Elektrisches Gerät (5) nach einem der vorhergehenden An sprüche,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Wärmedämmungseinheit das jeweils zugeordnete Wärmeaus tauschglied abschnittsweise oder ständig umschließt.

5. Elektrisches Gerät (5) nach einem der vorhergehenden An sprüche,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

die Wärmedämmeinheit (13) aus wenigstens einem Wärmedämmstoff besteht .

6. Elektrisches Gerät (5) nach einem der vorhergehenden An sprüche,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

die Wärmedämmeinheit (13) einen Wärmedurchgangskoeffizienten

W

von weniger als 1 aufweist .

m2K

7. Elektrisches Gerät (5) nach Anspruch 6,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

W

der Wärmedurchgangskoeffizient zwischen 0,5 und 0,01

m2K liegt .

8. Elektrisches Gerät (5) nach einem der vorhergehenden An sprüche,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

die Kühlanlage (11) eine passive Kühlanlage ist.

9. Elektrisches Gerät (5) nach einem der vorhergehenden An Sprüche,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

die Kühlanlage (11) mehrere Radiatoren (1) aufweist, wobei jedoch nur ein Radiator (1) ein mit einer Wärmedämmeinheit (12) ausgerüstetes Wärmeaustauschglied (3) aufweist.

Description:
Beschreibung

Wärmegedämmtes Radiatorenglied

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät zum Anschluss an ein Hochspannungsnetz mit einem Kessel, der mit einem Iso lierfluid befüllt ist und in dem ein magnetisierbarer Kern und wenigstens eine Wicklung angeordnet sind, und einer Kühl anlage, die wenigstens einen Radiator umfasst, der außerhalb des Kessels angeordnet und mit diesem zum Umwälzen des Iso lierfluids über den Radiator verbunden ist, wobei der Radia tor wenigstens zwei einander parallel geschaltete Wärmeaus tauschglieder aufweist.

Ein solches Gerät ist dem Fachmann aus der Praxis bekannt. So weisen beispielsweise Transformatoren einen mit Isolierfluid befüllten Kessel auf, in dem ein magnetisierbarer Kern ange ordnet ist. Der Kern bildet einen Schenkel aus, der konzent risch zu einer diesen umschließenden Unter- und Oberspan nungswicklung angeordnet ist. Das Isolierfluid dient zur elektrischen Isolierung der beim Betrieb des Transformators auf einem Hochspannungspotential liegenden Wicklungen gegen über dem auf Erdpotential liegenden Kessel. Darüber hinaus stellt das Isolierfluid die notwendige Kühlung der Wicklungen bereit. Hierzu wird das von den Wicklungen erwärmte Isolier fluid über außen an dem Kessel angebrachte Radiatoren umge wälzt .

Die Viskosität des Isolierfluids ist temperaturabhängig und steigt bei abfallenden Temperaturen sehr stark an. Aufgrund der erhöhten Viskosität ist bei tiefen Außentemperaturen, un ter —10 °C, die Zirkulation des Isolierfluids über den oder die Radiatoren beeinträchtigt. Dies ist insbesondere nach längerem Stillstand des elektrischen Geräts problematisch, da das Isolierfluid dann vollständig ausgekühlt ist. Die hohe Viskosität ist im Hinblick auf die reduzierte Kühlleistung der Kühlanlage beim Kaltstart des elektrischen Gerätes zu be- rücksichtigen, da die Wicklungen ansonsten überhitzt werden können .

So wird ein Transformator beispielsweise im Leerlauf oder un ter reduzierter Last gestartet. Weist das elektrische Gerät eine aktive Kühlung auf, können Pumpen zum Umwälzen des Iso lierfluids über den Radiator erst dann eingeschaltet werden, wenn das Isolierfluid im Kessel einen minimalen Temperatur schwellenwert überschritten hat. Dieser Temperaturschwellen wert wird in manchen Fällen jedoch erst nach einigen Tagen erreicht .

Darüber hinaus kommen zunehmend alternative Isolierfluide, wie Ester- und Silikonöle in elektrischen Geräten der oben genannten Art zum Einsatz. Esteröle als Isolierfluide weisen zwar eine verbesserte Umweltverträglichkeit auf. Nachteilig ist jedoch, dass diese bei Temperaturen im Bereich von unter -10 °C eine so hohe Viskosität aufweisen können, dass ein Kaltstart des elektrischen Gerätes praktisch unmöglich gewor den ist.

Die DE 317410 offenbart einen Ölschalter, der einen mit einem mineralischen Öl befüllten Kessel aufweist. Im oberen Bereich des Kessels erstreckt sich ein Strompfad, der bei Betrieb des elektrischen Geräts erwärmt wird. Insbesondere nach einem Kaltstart zirkuliert das von dem Strompfad erwärmte Öl ledig lich im oberen Bereich des Kessels. Um auch das Öl aus dem unteren Bereich für die Kühlung zu gewinnen, ist an dem Kes sel ein äußeres Überbrückungsrohr vorgesehen, das mit einem Heizelement ausgerüstet ist. Darüber hinaus wird dort darauf hingewiesen, dass Hilfsvorrichtungen bekannt sind, die aus einer Pumpe bestehen, welche das Isolierfluid mittels außer halb des Kessels angebrachter Kühlrohre in Bewegung setzen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektrisches Gerät der ein gangs genannten Art bereitzustellen, mit dem ein Kaltstart kostengünstig beschleunigt und auch bei tiefen Temperaturen durchgeführt werden kann. Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass eines der Wär meaustauschglieder mit einer Wärmedämmeinheit ausgerüstet ist, die den Wärmeübergang vom Isolierfluid in dem gedämmten Wärmeaustauschglied zur Außenatmosphäre im Vergleich zu einem Wärmeaustauschglied ohne Wärmedämmeinheit herabsetzt.

Erfindungsgemäß ist ein elektrisches Gerät bereitgestellt, das zum Erleichtern eines Kaltstarts eine Wärmedämmeinheit einsetzt. Die Wärmedämmeinheit ist an wenigstens einem Wärme austauschglied angeordnet und setzt dort den Wärmeübergang von dem Isolierfluid, welches in dem gedämmten Wärmeaus tauschglied angeordnet ist, zur Außenatmosphäre hin herab.

Die Wärmedämmeinheit setzt den Wärmeübergang bevorzugt um ei nen Faktor kleiner als 1/10 herab.

Im Rahmen der Erfindung kommt es daher innerhalb des gedämm ten Wärmeaustauschglieds zu keiner merklichen Wärmeabgabe des Isolierfluids und somit zu keinem erneuten Abkühlen der gera de erwärmten Isolierflüssigkeit. Erfindungsgemäß ermöglicht die Wärmedämmeinheit daher, dass Isolierfluid, das über das gedämmte Wärmeaustauschglied geführt wird, nicht abkühlt, sondern ausschließlich dazu dient, den Kaltstart des elektri schen Geräts zu beschleunigen. Es hat sich überraschenderwei se herausgestellt, dass allein eine Wärmedämmung ausreichend ist, um dem Kaltstart des elektrischen Geräts kostengünstig zu beschleunigen. Erfindungsgemäß ist daher ein effektives Mittel bereitgestellt, den Kaltstart zu beschleunigen oder bei besonders tiefen Temperaturen überhaupt erst zu ermögli chen .

Die erfindungsgemäße Maßnahme reduziert zwar die Kühlfläche und erhöht damit bei normalen Umgebungstemperaturen und Nor malbetrieb das Temperaturniveau, z.B. zwischen -5°C und

+30 °C. Bei niedrigen Temperaturen ist jedoch eine deutlich verbesserte Strömung des Isolierfluids durch das im wärmege dämmte Wärmeaustauschglied ermöglicht. Erfindungsgemäß ist bevorzugt nur ein Wärmeaustauschglied mit einer Wärmedämmeinheit ausgerüstet. Die Wärmedämmung bei le diglich einem Wärmeaustauschglied ist im Rahmen der Erfindung in der Regel ausreichend, um zu der gewünschten Kaltstartbe schleunigung zu gelangen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist jeder Radiator einen oberen Zulauf und einen unteren Rücklauf auf, die je weils mit dem Kessel und über die Wärmeaustauschglieder mit einander verbunden sind, wobei das mit der Wärmedämmeinheit ausgerüstete Wärmeaustauschglied als innerstes Wärmeaus tauschglied den geringsten Abstand zu dem Kessel aufweist. Bevorzugt wird im Rahmen der Erfindung das innerste Wärmeaus tauschglied, das also den geringsten Abstand zum Kessel auf weist, mit der Wärmedämmeinheit ausgerüstet. Beim Kaltstart erwärmt sich zunächst das unmittelbar am Aktivteil angeordne te Isolierfluid, wobei sich die Wärme langsam zum äußeren Kesselrand hin ausbreitet. Der Kessel ist über Zu- und Rück lauf mit dem Radiator verbunden, wobei das Wärmeaustausch glied mit dem geringsten Abstand zum Kessel selbstverständ lich am schnellsten erwärmt wird. Die Dämmung des innersten Wärmeaustauschglieds beschleunigt den Kaltstart daher beson ders gut.

Die Art und Weise wie die Dämmeinheit den Wärmeübergang zwi schen Isolierfluid und Atmosphäre am Wärmeaustauschglied her absetzt, ist im Rahmen der Erfindung grundsätzlich beliebig. Bevorzugt ist jedoch als Wärmedämmeinheit eine Wärmedämm schicht, die das jeweils zugeordnete Wärmeaustauschglied ab schnittsweise oder vollständig umschließt. Schließt die Wär medämmeinheit das Wärmeaustauschglied vollständig, ist das Wärmeaustauschglied vollständig von der Wärmedämmeinheit oder der Wärmedämmschicht umschlossen oder mit anderen Worten in diese eingebettet. Wärme kann daher nur über die außen lie gende Wärmedämmeinheit von dem Isolierfluid an die Außenatmo sphäre abgegeben werden. Umgibt die Wärmedämmeinheit das Wär meaustauschglied nur abschnittsweise, liegen bestimmte Ab schnitte oder Stellen des Wärmeaustauschglieds frei. An die- sen freiliegenden Stellen kann die Luft der Außenatmosphäre daher an der Außenkontur des zumeist metallischen Wärmeaus tauschglieds vorbeistreifen und auf diese Weise die Wärme ab transportieren. Die Wärmedämmschicht ist vorteilhafterweise flexibel ausgebildet und kann auf einfache Art und Weise um das jeweilige Wärmeaustauschglied gewickelt werden kann.

Zweckmäßigerweise besteht die Wärmedämmeinheit aus wenigstens einem Wärmedämmstoff. Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, dass die Wärmedämmeinheit aus mehre ren Wärmedämmstoffen besteht. Wesentlich ist die Herabsetzung des Wärmeübergangs vom gedämmten Wärmeaustauschglied zur Au ßenatmosphäre hin.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Wärmedämmeinheit einen Wärmedurchgangskoeffizienten von weni- W

ger als 1 - auf. Ern solcher Wärmedurchgangskoeff zrent m 2 K

hat sich als ausreichend erwiesen, um im Rahmen der Erfindung die notwendigen Vorteile, also einen beschleunigten Kalt start, bereitzustellen.

Noch zweckmäßiger ist es, wenn der Wärmedurchgangskoeffizient

W

zwrschen 0,5 und 0,01 - lregt.

m 2 K

Bevorzugt ist die Kühlanlage eine passive Kühlanlage. Mit an deren Worten sind gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwick lung Pumpen zum Umwälzen des Isolierfluids über die Kühlanla ge vermieden. Abweichend hiervon ist eine Pumpe zum Umwälzen des Isolierfluids über den oder jeden Radiator vorgesehen.

Zweckmäßigerweise weist die Kühlanlage mehrere Radiatoren auf, wobei jedoch nur ein Radiator ein mit einer Wärmedämm einheit ausgerüstetes Wärmeaustauschglied aufweist.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Ge genstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbei- spielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeich nung, wobei gleichwirkende Bauteile mit gleichen Bezugszei chen versehen sind und wobei

Figur 1 einen handelsüblichen Radiator in einer Sei tenansicht,

Figur 2 ein Wärmeaustauschglied des Radiators gemäß

Figur 1 in einer Draufsicht und

Figur 3 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts in einer schematischen Seitenansicht zeigen.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines handelsüblichen Radiators 1 in einer schematischen Seitenansicht. Es ist er kennbar, dass der Radiator 1 einen oberen Zulauf 2 aufweist, der über Wärmeaustausch- oder Radiatorenglieder 3 hydraulisch mit einem Rücklauf 4 verbunden ist. Der Zulauf 2 und der Rücklauf 4 weisen jeweils eine nach links weisende Eingangs- bzw. Ausgangsöffnung auf, über die der Radiator 1 nach seiner Montage mit dem Innenraum eines in Figur 1 nicht dargestell ten Kessels kommuniziert. Das Isolierfluid des besagten Kes sels kann dann über den Zulauf 2 die Wärmeaustauschglieder 3 und den Rücklauf 4 über den Radiator 1 mit seinen Wärmeaus tauschgliedern 3 umgewälzt werden. Die Wärmeaustauschglieder 3 sind aus einem wärmeleitfähigen Material, wie einem Metall, gefertigt und stehen in Wärmekontakt mit der Außenatmosphäre. Wird das Isolierfluid über die Wärmeaustauschglieder geführt, wird somit Wärme von dem erhitzten Isolierfluid an die kälte re Außenatmosphäre abgegeben.

Figur 2 zeigt ein Wärmeaustauschglied 3 in einer Stirnan sicht. Es ist erkennbar, dass die Wärmeaustauschglieder 3 plattenförmig ausgebildet sind. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem in Figur 1 gezeigten Radiator 1 um einen so ge nannten Plattenradiator. Die plattenförmigen Wärmeaustausch glieder 3 begrenzen jeweils Strömungskanäle, durch die das über die Wärmeaustauschglieder 3 umgewälzte Isolierfluid ge führt wird. Schließlich gelangt das Isolierfluid in die sam melnde Rückleitung 4 und gelangt von dort als abgekühltes Isolierfluid wieder in den Innenraum des Kessels.

Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts 5, das hier als Transformator ausgeführt ist. Das erfindungsgemäße elektrische Gerät 5 kann jedoch auch als Drossel ausgeführt sein. Der Transformator 5 weist einen Kessel 6 auf, der mit einem Isolierfluid 7 befüllt ist. Darüber hinaus sind in dem Kessel 6 ein magnetisierbarer Kern 8 und Wicklungen 9 angeordnet, von denen in der Figur 3 je doch nur eine Wicklung schematisch angedeutet ist. Die Wick lungen 9 umfassen jedoch hier eine so genannte Oberspannungs wicklung und eine so genannte Unterspannungswicklung, die konzentrisch zu einem Schenkel 10 des Kerns 8 angeordnet sind. Die Funktionsweise eines solchen Transformators 5 ist dem Fachmann jedoch bekannt, so dass an dieser Stelle hierauf nicht genauer eingegangen wird. Die notwendigen Anschlusslei tungen zum Anschluss der Wicklungen an ein Hochspannungsnetz sind ebenfalls aus Gründen der Übersicht figürlich nicht dar gestellt.

Der Transformator 5 ist mit einer außen an dem Kessel 6 ange brachten Kühlanlage 11 bestückt, die hier lediglich einen Ra diator 1 gemäß Figur 1 umfasst. Es ist erkennbar, dass der Zulauf 2 und der Rücklauf 4 in den Innenraum des Kessels 6 münden. Da der Zulauf 2 und der Rücklauf 4 über Wärmeaus tauschglieder 3 miteinander verbunden sind, ist ein Umwälzen des Isolierfluids 7 über den Radiator 1 ermöglicht. Ein Wär meaustauschglied, das den geringsten Abstand zum Kessel 6 aufweist, das so genannte innerste Radiatorglied 12, ist mit einer Wärmedämmeinheit 13 ausgerüstet. Die Wärmedämmeinheit 13 besteht aus einer flächigen Wärmedämmschicht 13, die das Radiatorglied 12 vollumfänglich umschließt. Die Wärmedämm schicht 13 ist in Figur 3 in einer Schnittansicht gezeigt.

Zur Befestigung der Wärmedämmschicht an dem Radiatorglied 12 dient eine übliche Klebeverbindung. Nach einem längeren Stillstand des Transformators 5 ist das Isolierfluid 7 vollständig abgekühlt. Insbesondere bei nied rigen Außentemperaturen, beispielsweise im Bereich von

-10 °C bis -50 °C, weist das Isolierfluid 7 eine so hohe Visko sität auf, ist mit anderen Worten so zähflüssig, dass es auch nach einem längeren Startvorgang nicht mehr über den Radiator 1 umgewälzt wird. Aus diesem Grunde ist die Wärmedämmeinheit 13 vorgesehen, die dafür sorgt, dass nur geringfügig erwärm tes Isolierfluid nicht gleich wieder im innersten Wärmeaus tauschglied 12 abgekühlt wird. Somit kann im Rahmen der Er findung die Oberspannungswicklung der Wicklung 9 an das Hoch spannungsnetz angeschlossen werden. An die Unterspannungs wicklung wird hingegen ein hierfür zweckmäßiger Widerstand angelegt, so dass der Transformator 5 nicht unter Volllast betrieben wird. Hierbei kommt es zu einem allmählichen Erwär men des Isolierfluids 7 und somit der Außenwand des Kessels 6. Die Abkühlung im Wärmeaustauschglied 12 wird stark ge hemmt, so dass das umgewälzte Isolierfluid 7 schneller er wärmt wird. Die sich allmählich einstellende fortwährende Er wärmung des Isolierfluids 7 überträgt sich nach und nach auch auf die verbleibenden Wärmeaustauschglieder 3, bis schließ lich der gewünschte Betriebszustand erreicht ist.

Abschließend sei angemerkt, dass die Lastregelung beim Kalt start im Rahmen der Erfindung beliebig sein kann. Abweichend von den oben genannten Umsetzungen des Kaltstarts kann das erfindungsgemäße elektrische Gerät auch unter Volllast ge startet werden.