ROTATING MACHINE WITH HEAT PIPE COOLING

Abstract: 1. A rotating machine with a heat pipe which is constructed as a bore (13) closed at both ends in an rotor shaft (5) which for the purpose of heat transfer is partly filled with an evaporatable working fluid which is evaporated in an evaporating section (6) in continuous thermal contact with the rotor (4) and condenses in a condensing section (8) substantially at the end of the pipe, which may be cooled from the exterior, characterised in that the rotor shaft (5) is made of high strength steel and is joined together from several parts (6-8) into a single unit by means of a system of fitted joints, wherein the total surface (14), including the encircling grooves at the joints, of bore (13) in the rotor shaft (5) is provided with a homogeneous non-porous coating (10) of Cu or Ni which does not react with the working fluid.

Description: Drehende Maschine mit Wärmerohr-Kühlung Die Erfindung betrifft eine drehende Maschine mit Wärmerohr-Kühlung, wobei das Wärmerohr durch eine Bohrung in der Maschinenwelle gebildet ist, welche Bohrung sich von einem beheizten zu einem ge kühlten Bereich erstreckt und eine Arbeitsflüssigkeit enthält. Eine derartige Maschine mit einer eine Bohrung konstanten Querschnitts aufweisenden Antriebswelle ist aus der DE-AS 1 928 358 bekannt. Die Antriebswelle ist aus fertigungstechnischen Gründen zumindest aus zwei Teilen hergestellt, die miteinander durch eine Schweissnaht verbunden sind. Als Material für die Antriebswelle wird im allgemeinen schlecht wärmeleitender Stahl verwendet, wobei allerdings der Kondensationsabschnitt zur Verbesserung der Wärmeableitung aus Kupfer besteht. Es wird allerdings auch darauf hingewiesen (Spalte 4, 2. Absatz), dass die gesamte Antriebs- bzw. Hohlwelle aus gut wärmeleitendem Material, also Kupfer, hergestellt werden könnte. Diese Maschine weist jedoch erhebliche Mängel auf. So bedingt die Verwendung von Stahl für die Welle, zusätzlich zur schlechten Wärmeleitfähigkeit, die Erzeugung von Wasserstoffgas durch Zersetzung des Arbeitsmittels H20, weil das OH -Radikal mit dem Stahl direkt reagiert. Dieses Wasserstoffgas bildet dann schon nach kurzer Betriebszeit einen Gaspuffer in der zum Wärmerohr ausgebildeten Welle und legt dessen Funktion still. Darüberhinaus bildet jede Schweissnaht oder Fuge in der Oberfläche der Bohrung eine Störstelle für den sich ausbildenden Flüssigkeitsfilm. Die Herstellung der gesamten Welle aus Kupfer würde zwar das Problem der Wasserstoffbildung beseitigen, das Problem des Vorhandenseins von mindestens einer umlaufenden Rille verbliebe jedoch. Dafür käme ein neues hinzu, nämlich das der Torsions-, Innendruck- und Lagersicherheit. Hohe Drehzahlen der Maschine und hohe Innendrücke in den Bohrungen wären mit einer Kupferwelle, zumindest auf Dauer bei belasteten Maschinen, nicht einzuhalten und ihre Lagerungen hielten einem Langzeiteinsatz ebenfalls nicht stand. Die in der DE-AS 1 928 358 beschriebene Maschine weist jedoch noch einen zusätzlichen Nachteil auf. Durch die Ausbildung der Bohrung in der Welle mit konstantem Querschnitt ist der Wirkungsgrad der Kühlung stark eingeschränkt. Es wurde daher vorgeschlagen (CH-PS 632 614), die Bohrung im Kondensationsbereich mit konisch sich zur Stirnseite hin verjüngendem Querschnitt auszuführen. Bezüglich des Materials für die Welle werden keine Angaben gemacht. Die Darstellung der Welle als aus einem einzigen Teil bestehend, ist gerade im Hinblick auf die besondere Ausführungsform der Bohrung falsch. Sie muss, und das dürfte unbestreitbar sein, zumindest aus zwei Teilen bestehen, so dass auch für sie die o.g. Nachteile in bezug auf die Störung des Flüssigkeitsfilms durch umlaufende Rillen und/oder Wasserstoffbildung bzw. Mangel an Festigkeit zutreffen. Es ergab sich daher die Aufgabe, eine Maschine der o.g. Art derart auszubilden, dass das in der Läuferwelle in tegrierte Wärmerohr unter Umgehung sämtlicher genannter Nachteile der bekannten Maschinen einen hohen Wirkungsgrad bei gleichzeitiger wirtschaftlicher Fertigungsfähigkeit der Welle aufweist. Die Lösung ist in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 beschrieben. Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen bzw. Herstellungsformen der Erfindung wieder. Die Erfindung wird im folgenden mittels Ausführungsbei- spielen anhand der Figuren 1 bis 6 näher erläutert. Der in Figur 1 im Schnitt dargestellte Motor entwickelt im Betriebszustand Wärme. Diese Wärme wird auch über die Wicklungen 1 und Bleche 2 des Ständers 3 und des Läufers 4 auf die Läuferwelle 5 (Ankerwelle) übertragen. Um diese Wärme abzuführen, ist in der Läuferwelle 5 ein durchgehender, abgestufter Hohlraum 13 vorgesehen mit einer beheizten Läuferzone 6, einer Lagerzone 7 und einer Kühlzone 8. Die Kugellager 11, 12 dienen der Lagerung der Läuferwelle 5. Die Ausbildung der Kühlzone 8 ist konisch. Der Hohlraum 13 in der Läuferwelle 5, im folgenden als Wermerohr bezeichnet, enthält eine Arbeitsflüssigkeit, z.B. Wasser, welches die übertragene Wärme im beheizten Bereich 6a (siehe Figur 2) erhitzt und verdampft, wobei der Dampf im gekühlten Bereich 8b unter Abgabe der Kondensationswärme kondensiert und als Wasser in die beheizte Zone 6, 6a zurück fliesst. Die Wärme wird bevorzugt über ein Kühlrippenpaket 9 abgeführt. Die Ausbildung der Kühlzone 8b als konische Form hat dabei den Vorteil einer höheren Übertragungsleistung, da bei drehender Welle 5 sich ein nur dünner Kondensatfilm bilden kann1 weil infolge der Hohlkegelwand das an den Innenoberflächen kondensierte Kühlmedium durch die Zentrifugalkraft stets in Richtung der Wärmezone 6a abfliesst. Um eine wirtschaftliche Fertigung zu erreichen, wird das Wärmerohr entsprechend ihren Funktionsbereichen dreiteilig gefertigt und anschliessend mit Elektronenstrahl oder anderen Verfahren geschweisst. Die Kühlung über das Kühlrippenpaket 9 kann durch ein zusätzliches Gebläse innerhalb des Gehäuses 15 noch verstärkt werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der Belegung 10 der Innenoberfläche 14, welche einen Korrosionsschutz darstellt, zur Gewährleistung der Funktion des Wärmerohres. Ausgehend von den guten Erfahrungen mit Kupfer als Wandmaterial bei Wasser-Wärmerohren wurde die Läuferwelle 5 zwar aus wirtschaftlich günstigem Stahl hergestellt, die Innenoberfläche 14 aller drei in Form eines Pass systems verbundene Teile 6 - 8 einschliesslich der umlaufenden Rillen an den Passstellen jedoch porenfrei belegt. Diese Belegung 10 aus einer homogen aufgebrachten Schicht aus gut wärmeleitendem Material7 wie z.B. Cu oder Ni, wird durch eine relativ kleine Öffnung 16 in der Stirnseite der Welle 5 im Bereich der Kühlzone 8, 8b vorgenommen, die unproblematisch mittels eines Stopfens 18 aus dem gleichen Material wie die Belegung 10 verschlossen werden kann. Die verbleibende Rille zwischen Stopfen 18 und Welle 5 wirkt an dieser Stelle nicht störend. Die beiden Stirnseiten 16, 18 und 7 können auch besonders ausgebildet sein. So besteht die Stirnseite (Figur 3) am Rohrteil 8b z.B. aus einem Einfüllelement (Cu) 19 und einem Verschlussteil 20, wobei das Verschlussteil 20 in einem Gewinde geführt, das Einfüllelement 19 an die Stirnseite des Rohres gepresst ist. Dabei ist gleichzeitig eine stirnseitige Schneidkante 21 vorgesehen, die in das Einfüllelement 19 schneidet und somit gasdicht abdichtet. Nach Einfüllen des Mediums wird der Nippel des Einfüllelementes 19 gequetscht, und oder weisst die Öffnung verlötet/.Ein VD#erc##e mit Zentrierung ge- schweisst oder gelötet, bildet den Abschluss (nicht dargestellt). Der Verschluss auf der Lagerseite 7 (Figur 4) ist z.B. gekennzeichnet durch ein Cu-Rohr 22 mit einer nach aussen zeigenden Aufweitung - eingesetzt in der Innenbohrung und einem konisch geformten Verschlussstopfen 23, welcher mit Hilfe einer Schraube 24 in das Rohr geschraubt Gasdichtheit gewährleistet. Das Rohr 22 wird nach innen verschlossen durch eine eingeschweisste Cu-Scheibe 25. Das Hilfsgewinde der Schraube 24 dient nach Entfernen derselben anschliessend als Wellenzentrierung. Der Verschluss in der Lagerzone 7 (siehe Fig.5) kann auch dadurch gekennzeichnet sein, dass das Cu-Rohr 22 vor der Innenbeschichtung des Wärmerohres bzw. der Welle mit dem Grundmaterial von 7 verlötet wird und das Rohr 22 nach dem Beschichten mit den Verschlussteilen 25 und/oder 26 durch Schweissen hermetisch verschlossen wird. Ein Verschlussstopfen 28 bildet eingesetzt und verschweisst mit Zentriersenkung den Abschluss. Das Teil 7 ist auch durch Vollausbildung des Körpers (Figur 6) herstellbar. Die Innenverkupferung wird von der Stirnseite 16 vorgenommen. Als Ausführungsformen für die Belegung kommen z.B. drei Möglichkeiten, nämlich das stromlose Verkupfern, das Verkupfern unter Spannung und das stromlose Vernickeln in Betracht. Die chemische Verträglichkeit der Belegung 10 mit dem Arbeitsmittel H 0 bleibt 2 erhalten. Das stromlose Vernickeln ergibt eine porendicht geschlossene Nickelschicht 10. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass das abgelagerte Nickel absolut rein ist und nicht etwa Phosphor enthält. Das stromlose Verkupfern ergibt eine geschlossene, glatte Belegung 10. Es ist jedoch nur bedingt anwendbar. Das Verkupfern der Läuferwelle 5 bzw. der Innenoberfläche 14 unter Spannung ergibt eine glatte, geschlossene und dichte Oberfläche, die auch nach dem Reinigen ihr Aussehen nicht verändert und bei der keinerlei Abtrag festgestellt werden kann.Ein so hergestelltes Wärmerohr arbeitet zur vollen Zufriedenheit und wurde über den Zeitraum von 28 Monaten (ca. 20000 Stunden) ohne Unterbre chung im Dauerversuch betrieben, ohne dass eine Veränderung seines Wärmetransportvermögens festgestellt wurde. Die charakteristische Temperaturdifferenz zwischen Ende der Heizzone und Ende der Kühlzone ist seit Beginn des Dauerbetriebs mit ungefähr 3 K konstant, was einen sehr guten Wert darstellt. Damit ist ein Weg gefunden, Wasser-Wärmerohre nach einer einfachen und billigen Fertigungsmethode herzustellen, wobei die Eigenschaften des kompakten Wärmerohres aus Kupfer erreicht werden. Beispiel für ein kostengünstiges Wärmerohr Werkstoff: St 35 Geometrie: da= 20 mm; d1= 16 mm; L = 1000 mm galv. überzug: innen Kupfer, Schichtdicke = O,15mm Oberflächentemperatur- zwischen Heiz- u. Kühlzone differenz: AT < 3K

Claims: Patentansprüche: 1. Drehende Maschine mit WärmeXohr- Kühlung, wobei das Wärmerohr durch eine Bohrung in der Maschinenwelle gebildet ist, welche Bohrung sich von einem beheizten zu einem gekühlten Bereich erstreckt und eine Arbeitsflüssigkeit enthält, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Maschinenwelle (5) aus einem Material hoher Festigkeit besteht, b) die Maschinenwelle (5) aus mehreren Teilen (6 - 8) durch ein Pass-Stecksystem zu einer Einheit gas dicht verbunden ist, und c) eine homogene Belegung (10) der Oberfläche (14) der Bohrung (13) vorgesehen ist, die mit der Ar beitsflüssigkeit nicht reagiert. 2. Drehende Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die Maschinenwelle (5) aus einem Material besteht, welches gegen hohe Drehmomente ohne Torsionsneigung und Innendrücke beständig ist. 3. Drehende Maschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge kennzeichnet, dass das Material Stahl ist und die Be legung (10) der Bohrung (13) aus Cu oder Ni besteht. 4. Drehende Maschine nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Be legung (lo) der Bohrung (13) durch stromloses Ver nickeln oder Verkupfern oder durch Verkupfern unter Spannung erfolgt. 5. Drehende Maschine nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Belegung (lo) der Bohrung (13) durch eine in einer Stirnseite der Maschinenwelle (5) angebrachte, dicht verschliess bare Öffnung (16) erfolgt. 6. Drehende Maschine nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirn seite (16, 18) aus einem Einfüllelement (19) und einem Verschlussteil (20) besteht, wobei das Einfüllelement (19) an die Stirnseite des Rohrteiles (8b) mittels einer Schneidkante (21) gasdicht ange presst ist. 7. Drehende Maschine nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirn- seite (7) durch ein Rohr (22) gebildet ist, in das ein Verschlussstopfen #23) gasdicht eingepresst ist. 8. Drehende Maschine nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, ausgenommen Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, dass die Stirnseite (7) durch ein Rohr (22) mit einem Innenverschluss (25) und Aussenver schluss (26) gebildet ist, wobei das Rohr (22) vor dem Aufbringen der Belegung mit der Lagerzone ver lötet wird.

Inventors: BRAUN, HELMUT, BROST, ORTWIN, CANDERS, WOLF-RUDIGER, DR., UNK, JORG, VON KONIG, HERBERT, Canders, Wolf-Rüdiger, Dr., Unk, Jörg, von König, Herbert
Applicants: KERNFORSCHUNGSZENTRUM KARLSRUHE GMBH
Application year: 1985
Main classification: H02K9
IPC codes: H02K9