Vorrichtung mit künstlich gekühlten Sperrschichtelektrodensystemen. Die Erfindung bezieht sich auf .eine Vor richtung mit einer Anzahl von nach ,dem Sta pelprinzip zusammengesetzten Sperrschicht systemen, die mit Hilfe einer Flüssigkeit künstlich gekühlt werden.
Die Belastbarkeit von Sperrschichtelek trodensystemen, zum Beispiel bei deren Ver wendung als Gleichrichter für Niederfre quenzwechselströme, wird durch die höchst zulässige Temperatur ,der Systeme begrenzt. Wenn die Temperatur oberhalb dieses Maxi mumwertes ansteigt, so werden dadurch die Eigenschaften der Systeme beeinträchtigt, zum Beispiel weil die Lebensdauer merklich verkürzt wird.
Ferner ist es erwünscht, die Temperatur innerhalb gewisser Grenzen zu halten, weil in Sperrschichtelektrodensystemen häufig Stoffe mit ziemlich starkem negativem Tem peraturkoeffizienten verwendet werden und die Temperaturabhängigkeit der Systeme ziemlich bedeutend sein kann. Wünscht man also die Belastbarkeit eines Elektroden- systems (im folgenden auch "Zelle" genannt) zu steigern, so hat dies eine stärkere Wärme- entwicklung und mithin: eine höhere Betriebs temperatur zum Folge.
Um diese Temperatur trotzdem .gering zu halten, wenigstens zu er niedrigen, hat man zur künstlichen Kühlung der Zellen Zuflucht genommen. Obgleich grundsätzlich einfach, bringt die Kühlung mit Hilfe eines Luft- oder Gasstromes Schwierigkeiten mit sich. Die Wärmeleit fähigkeit von Gasen ist ziemlich niedrig, so dass je Zeiteinheit eine grosse Menge Kühl gas verwendet werden muss. Eine andere Schwierigkeit besteht darin, dass der Gas strom Verunreinigungen enthält, die sich auf den zu kühlenden Gegenständen absetzen.
wodurch die Kühlung weniger wirksam wird. Aussemdem bringt diese Kühlungsart die Schwierigkeit mit sich, dass die Gleich richterzellen rieht von der Luft abgeschlos sen sind, was in Räumen mit für die Zellen schädlichen Gasen sowohl für die Eigen- schaften als auch für die Lebensdauer nach- teilig ist.
Man kann zwar die Zellen in einem gesonderten Raum unterbringen und den Kühlstrom von Gassen und sonstigen Verunreinigungen reinigen, aber dies führt eine grosse und verwickelte Bemessung des Kühlapparates herbei.
Eine in vielen Fällen praktische Lösung des Kühlsystems besteht darin, dass die Sperrschichtelektrodensysteme in einem Be hälter mit einer Kühlflüssigkeit angeordnet werden. Es sind dazu verschiedene bauliebe Lösungen bekannt.
Die Erfindung bezweckt, diese Vorrich- tungen noch sicherer zu gestalten und die Belastbarkeit weiter zu steigern und gerade an den Stellen, an denen die meiste Wärme frei wird, sofort eine grosse Wärmemenge abzuführen, sobald die Temperatur dort den zulässigen Wert zu überschreiten droht.
Dies wird gemäss der Erfindung dadurch erreicht, dass die Elektrodensysteme derart angeordnet sind, dass die Kühlflüssigkeit zwischen den Teilen der aufeinanderfolgen den Systeme vordringen kann, wobei eine Kühlflüssigkeit benutzt wird, die bei der höchstzulässigen Temperatur der 'Systeme siedet.
Einerseits wird es also ermöglicht, dass die Kühlflüssigkeit bis zu den bedrohten Stellen vordringt, anderseits bilden sieh gerade an diesen Stellen sofort Dampfblasen, wenn die zulässige Temperatur überschritten wird. Es wird also an den Stellen, wo die grösste Wärmemenge erzeugt wird, bezw.
.eh durch schlechte Wärmeabfuhr ein Gleichgewicht zwischen der erzeugten und der abgeführten Wärme bei einer höheren Temperatur einstellt, als es an andern Stel len der Vorrichtung der Fall ist, das Kühl mittel zum Sieden gebracht, wobei von der Flüssigkeit zur Verdampfung so viel Wärme entzogen wird, dass sich ein Wärmegleich gewicht bei einer Temperatur einstellt, bei der die Flüssigkeit siedet. Die höchstzuläs sige Temperatur wird somit nicht über- schritten.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes dringt die Kühl- flüssigkeit so weit zwischen den Systemen vor, dass sich gegenüber der ganzen gleich richtenden Oberfläche des Elektrodensystemes Kühlflüssigkeit befindet. Die Wärme wird also über die ganze Oberfläche, an der sie erzeugt wird, möglichst .schnell abgegeben. In einer Ausführungsform, bei der die Zel len auf einem oder mehreren senkrecht zur Ebene der Elektrodensysteme stehenden Tragorganen angeordnet sind, wird dieser Zweck dadurch erzielt, dass auf .diesen Trag organen Distanzmittel zwischen den verschie denen Zellen vorgesehen sind.
Um die Wärmeabfuhr einer jeden Zelle noch zu erleichtern, werden vorzugsweise Kühlplatten vorgesehen, die jede für sich mit einer Zelle zusammenarbeiten. In die sem Falle werden die Zellen und ihre ent- .sprechenden Kühlplatten nicht aneinander gelegt, sondern in bezug aufeinander distan ziert.
Hierdurch ist es möglich, die Kühl flüssigkeit auf eine möglichst grosse Ober- fläche sowohl der Platten als auch der Zel- ler einwirken zu lassen. Zur Erzielung einer vorzüglichen Wärmeabgabe einer Zelle nach ihrer entsprechenden Kühlplatte ist es er forderlich, einen wärmeleitenden Kontakt zwischen beiden herzustellen.
Es wird dazu vorteilhaft eine Aufstellung angewendet, bei der die Zellen und .die Kühlplatten auf einer Welle in einer Reihe angeordnet sind und die Distanzierung zwischen den verschiede- nen Teilen durch Zwischenfügung von Rin gen a.us gut wärmeleitendem Stoff erzielt ist, die einen geringen Durchmesser in bezug auf den der Systeme und Kühlplatten haben.
Es ist denkbar, dass eine Kühlflüssigkeit tils Kühlmittel aus verschiedenen Gründen, .um Beispiel durch den ,günstig liegenden Siedepunkt, empfehlenswert ist, aber dass sie anderseits die unangenehme Eigenschaft hat, das Material der Zellen oder der Kühlplatten anzugreifen.
Diese Schwierigkeit lässt sieh dadurch beheben, dass die Zellen und/oder die Kühlplatten von .der Kühlflüssigkeit mittels einer Schicht aus inertem Material getrennt werden, dass auf .den Platten oder Zellen an geordnet ist und mithin in unmittelbarem Wärmekontakt :
damit steht. Da. eine solche Schicht ausserdem nur eine sehr geringe Stärke zu haben braucht, wird das Wärme- ab.gabevermö.gen im allgemeinen nicht be einträchtigt. Vorzugsweise wird eine Lack .schieht verwendet. :Soweit Teile der Systeme oder die Kühlplatten aus Aluminium be stehen, kann auch leicht eine Schicht iner- ten Materials durch Überziehung :des Alu miniums mit einer Oxydschicht gebildet werden.
Es ist vorteilhaft, als Kühlmittel, eine nichtelektrisch leitende Flüssigkeit zu ver wenden.
Ein solcher Stoff hat den Vorzug, dass zur Abschirmung,der unter Spannung stehen den, die Flüssigkeit berührenden Teile keine besonderen Mittel verwendet zu werden brauchen.
Man kann den .die Energielieferung an ,die Zellen bewirkenden Transformator in manchen Fällen im ;gekühlten Gefäss unter bringen. Diese Anordnung hat den Vorteil, ,dass der Transformator auch gekühlt wird und also kleiner bemessen sein kann, als wenn nur Luftkühlung angewendet wird.
In der beiliegenden Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Vorrichtung dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung, bei der die Zellen in einem Gefäss mit einem Kühl- mittel untergebracht sind, wobei das Mittel nach Verdampfung in einem von der umge benden Luft gekühlten Raum kondensiert.
Fig. 2 ist eine Ansicht einer Zelle nach dem ,Schnitt II-II in Fig. 1.
Fig. 3 zeigt eine Ansicht, bei der das verdampfte Kühlmittel in einer künstlich ge kühlten Spirale zur Kondensation :gezwun gen wird.
Sowohl in Fig. 1 als auch in Fig. 3 sind die Zeilen 1 auf einem Tragorgan 2 ange ordnet. Dieses Organ ist seinerseits auf einem .Ständer 3 aufgestellt. Die Zellen 1 sind wie ein scheibenförmiger Körper ausge bildet und bestehen je aus einem Träger, auf dem sich in Reihenfolge eine halbleitende Elektrode, zum Beispiel aus Selen, eine Sperrschicht und eine gutleitende Elektrode befinden. Es wird einleuchten, dass die Stärke der Zelle 1 im Vergleich zum Durch messer übermässig gross :dargestellt ist.
Jede Zelle arbeitet mit einer Kühlplatte 4 zu sammen, wobei zwischen der Zelle und der Platte ein Körper 5 mit geringem Durchmes- ser angeordnet ist. Der Körper 5 besteht aus die Wärme gut leitendem Material, zum Bei spiel Nickel oder Aluminium und kann über das Tragorgan 2 (zum Beispiel einen Bol zen) geschoben sein.
Ausser dem Vorteil, dass die Wärme .durch Vermittlung dieses Kör pers gut auf .die Kühlplatte übertragen wird, hat dieser Aufbau den Vorteil, dass er die Oberflächen sowohl der Zelle als auch der Kühlplatte soviel wie möglich freilässt und also die dem Kühlmittel ausgesetzte Ober fläche möglichst steigert. Die Elektroden schichten jeder Zelle 1 erstrecken sich im allgemeinen nicht bis zur Mitte der Trag platte, sondern nur bis auf einige Entfernung von der Höhe :des Ringes 5, so dass sich gegenüber der :ganzen gleichrichtenden Ober fläche Kühlflüssigkeit befindet.
Die Art und Weise, in, der die Zellen gegenseitig, sofern erforderlich, elektrisch isoliert angeordnet sind, zum Beispiel zur Verwendung einer Grätz,Schaltung, ist ein- fachheitshalber nicht veranschaulicht. Die auf :dem Tragorgan angeordneten Zellen und Platten sind in einem geschlossenen Gefäss 6 untergebracht, in :
dem sich die Kühlflüs- ,sigkeit 7 befindet. Der obere kugelige Teil des Gefässes hat eine ;grosse Oberfläche, das der Kühlwirkung der umgebenden Luft aus gesetzt ist. Zur Vergrösserung der Oberfläche sind Kühlrippen 8 vorgesehen. Auch der untere Teil des Gefässes ist mit Kühlrippen 8' ausgestattet.
Die Kühlwirkung beruht darauf, :dass die Flüssigkeit 7 zur Verdampfung gebracht wird, wobei die Verdampfungswärme den Zellen entzogen wird. Die aufgenommene Wärme wird im kugeligen gekühlten Raum 9 abgegeben, wobei der Dampf kondensiert und wieder als Flüssigkeit in den untern Raum des Gefässes zurückströmt. Die Küh- lang der Räume 9 wird im Ausführungsbei- spiel mittels eines Ventilators 10 noch ver stärkt, der eine zusätzliche Luftmenge zu führt.
Weil aber die Zellen ganz von der Kühlluft abgeschlossen sind, treten. dabei die anfangs geschilderten Nachteile nicht auf.
Das Gefäss ist völlig abgeschlossen, so dass keine Flüssigkeit durch Verdampfung austreten und mithin verlorengehen kann. Ein weiterer Vorzug der Verwendung eine.; geschlossenen Gefässas besteht darin, dass man bei der Wahl der Kühlflüssigkeit nicht an deren Siedepunkt gebunden ist. Setzt man die höchstzulässige Temperatur der Zellen auf 60 C, so kämen bei einem offenen Ge fäss nur jene Stoffe in Betracht, die bei 7 6 cm Quecksilbersäule bei 60 sieden, z. B. Dichloräthylen (60 ) oder Chloroform (61 C).
Bei einem geschlossenen Gefäss aber können auch Stoffe mit niedrigerem Siedepunkt, z. B. Aceton (56 ) gewählt wer den, falls dafür Sorge getragen wird, dass der Druck im Gefäss nicht 76 cm beträgt, sondern entsprechend höher ist. Umgekehrt kann man auch .Stoffe mit höherem Siede punkt wählen, sofern der Druck im Gefäss erniedrigt wird, z. B. bei Verwendung von Methylalkohol, dessen Siedepunkt bei 80'C liegt, Benzin (80'), Methyläthylketon (80') oder Äthylalkohol <B>(78'</B> C).
Die besonders günstige Wirkung der Kühlung bei der dargestellten Vorrichtung wird an Hand von Fig. 2 erläutert.
Die Kühlwirkung von Flüssigkeiten in Apparaten beruht im allgemeinen darauf, dass die Stoffe erwärmt werden und infolge dieser Erwärmung aufsteigen, worauf sie irgendwie ihre Wärme abgeben und folglich gekühlt werden. Fis sinkt dabei der Kühl- flüssigkeitsstrom wieder und es kann aufs neue im Apparat entwickelte Wärme aufge nommen werden.
Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass es aber soge nannte "tote Ecken" gibt, insbesondere ober halb des Distanzringes 5, wodurch eine solche Stelle weniger gut gekühlt wird. Sollte durch die Kühlung eine Zelle auf ihrer höchstzulässigen Temperatur gehalten werden, so würde die Stelle oberhalb des Ringes 5 wegen der weniger :
günstigen Küh lung dort überhitzt werden, mit sämtlichen nachteiligen Folgen. Dies wird durch die Wahl einer bei der höchstzulässigen Tempe- ratur siedenden Flüssigkeit vermieden, denn es wird die sich oberhalb des Ringes befin dende stillstehende Flüssigkeitsmenge bei Überschreitung .dieser Tempertur daselbst infolge der stärkeren Erwärmung zum Sie den gebracht, wobei dieser Stelle für die Verdampfung 'so viel Wärme entzogen wird, dass keine Überhitzung erfolgt.
Die Zellen können also bis zu ihrer höchstzulässigen Temperatur betrieben werden, mit sämt lichen einhergehenden Vorteilen, ohne die obenerwä.hnten Nachteile.
Die Kühlung bei der dargestellten Vor richtung beruht also im wesentlichen auf dem Entziehen erzeugter Wärme mittels einer stillstehenden Flüssigkeit, wobei die grosse Wärmemenge zur Verdampfung der Kühlflüssigkeit abgenommen wird, während bei zum Beispiel mit 01 wirkenden Kühl systemen die Kühlung auf Konvektion beruht.
Fig. 3 zeigt die Anordnung für ein ge- kühltes Gefäss, bei dem der erzeugte Dampf in einer Kühlspirale gekühlt wird. Der im Gefäss 6 erzeugte Dampf der Kühlflüssig keit, die in diesem Falle das Gefäss ganz füllt, gelangt in eine Spirale 11, um welche ein mit Wasser 13 gefüllter Kühlmantel 12 angeordnet ist. Das Kühlwasser wird durch die Anschlüsse 14 und 15 zugeführt bezw. abgeführt.
Es hat sich erwiesen, dass zur Erzielung einer wirksamen Kühlung in der Spirale mit einem sehr geringen Wasser strom ausgekommen werden kann. Das, kon- densierte Kühlmittel, das auch hier wieder aus Benzen bestehen kann, fliesst durch das Rückstromrohr 16 an der Unterseite in das Gefäss 6 zurück.
Um zu vermeiden, dass durch irgendeine Ursache ein unzulässiger Überdruck im @Ge- fäss entsteht, wodurch das Gefäss explodieren könnte, kann eine Überdrucksicherung <B>171</B> nach dem bekannten Prinzip vorgesehen wer- den. Bei normalen Drücken bildet ein Ventil 18 mit Hilfe einer Feder 19 einen gasdich ten Abschluss; wenn aber der Druck den zu lässigen Wert überschreitet, so öffnet sich das Ventil und es kann das 'Gas entweichen. In den Fig. 1 und 3 ist die Sicherung 17 nur schematisch dargestellt.
Wenn ein Kühlmittel verwendet wird. das das Material der Zellen oder der Kühl platten angreift, oder ein elektrischer Leiter ist, können die verschiedenen Teile 1, 4, 5 usw. mit einer dünnen Lackschicht versehen werden. Man kann dazu zum Beispiel Chlor kautschuklack verwenden.