Elektrischer Widerstand mit bandförmigem Widerstandsmaterial. Gegenstand der Erfindung ist ein elektri- Seher Widerstand mit bandförmigem Wider standsmaterial, insbesondere für Anlasser und Heizkörper.
Die bisher bekannten derartigen Wider stände unterscheiden sich je nach den Be triebsbedingungen, die an die Geräte gestellt werden. Bei Geräten für Dauerbetrieb wurde in der Regel eine Bauart gewählt, bei der tveniarr Wert auf ein grosses Wärmespeieher- vermögen, sondern das Hauptgewicht auf die Abkühlverhältnisse mit grossen Kühlflächen des Widerstandsmaterials gelegt ist (Band oder Drahtwiderstände). Die Draht- oder Bandwendel sind dabei entweder möglichst frei in Luft aufgehängt oder werden unter Verwendung meist keramischer Isolierträger über Blechstege aufgewickelt.
Mit Rücksicht auf die bei der Erwärmung auftretende Län genzunahme des Widerstandsmaterials wer den bei dieser Bauart die Widerstandsele- mente senkrecht angeordnet. Die Isolierträger verhindern dabei den Zutritt der Kühlluft an die Blechstege und die diesen zugewandten Seiten des Widerstandsmaterials.
Bei Anlassern und Widerständen für intermittierenden Betrieb wurden Bauarten gewählt, die eine grosse Temperatur-Zeitkon- stante haben, um die Geräte gegenüber dem Dauerbetrieb überlasten zu können. Bei An trieben, die häufig angelassen oder geregelt werden, ist die Einschaltdauer und die Schalt häufigkeit für die Widerstände höher als bei Anlassern für Maschinen, die im Dauer betrieb arbeiten oder nur in grösseren Zeit abständen angelassen werden.
Eine grosse Zeitkonstante wird bei den Widerständen der ersten Art durch grosse Massen und Ge wichte des aktiven Widerstandsmaterials er reicht (Widerstände mit Gusselementen oder legierten Blechen). Bei Widerständen und Anlassern für kurze Belastungszeiten und lange Abkühlpausen -wird eine grosse Zeit konstante durch Einbettung des aktiven MTi- derstandsmaterials in isolierende Füllmassen, z. B. Sand oder Öl, erzielt. Ein Nachteil die ser Bauart besteht darin, dass Sand oder isolierende Füllmassen schlechte Wärmeleiter sind.
Bei Öl wird die Wärmeabgabe des aktiven Widerstandsmaterials durch die bei der Erwärmung eintretende Ölzirkulation ver bessert.
Bekannt sind auch einige Bauarten, bei denen auf zusätzliche Kühlflächen Wärme von dem aktiven Widerstandsmaterial über tragen wird. So wird für vollständig ge- kapselte Widerstände für Dauereinschaltung zur Verwendung auf Seeschiffen, in staubigen oder explosionsgefährlichen Rämnen eine Bau art angewandt, bei der der Widerstandsdraht auf Porzellanzylinder aufgewickelt wird und die einzelnen Widerstandselemente von Wän den des Gehäuses mit Kühlflächen eng um schlossen werden.
Das Gehäuse weist in ein zelnen dieser bekannten Fälle ausserdem taschenförmige oder rohrförmige Ansätze auf, wodurch sieh für die Kühlung zusätzliche Luftkanäle bilden. Bei dieser Bauart kann durch das Vorhandensein der zusätzlichen Kühlflächen, die an der CTehäusewand bzw. an den eingebauten Rohrstücken vorhanden sind, das Widerstandsmaterial höher belastet werden. Da der Widerstandsdraht. jedoch auf Porzellanzylinder aufgewickelt. ist, findet nur eine einseitige Kühlung des Widerstands materials statt, während die Kühlung der Drahtseite, die auf dem Porzellanzylinder aufliegt, sehr schlecht ist.
Da das Widerstandsmaterial eine höhere Temperatur annimmt. als die die Kühlflächen aufweisenden zusätzlichen Kühlkörper, sich wesentlich rascher erwärmt. als diese und ausserdem der Wärmeausdehnungskoeffizient des legierten Widerstandsmaterials grösser ist als der des umgebenden Bleches, sind der Er wärmung und damit der Belastbarkeit des Widerstandsmaterials enge Grenzen gesetzt, wenn man vermeiden will, dass die Draht wendel sieh an die umgebenden Blechwände anlegen und einen Kontakt mit dem Gehäuse herstellen.
Bei einer andern Bauart wird eine aus Draht bestehende Widerstandswicklung auf ein -Metallrohr mit. Längsnuten aufgewickelt. Zur Isolation des Widerstandsdrahtes gegen das Metallrohr werden in geeigneten Abstän den in den Längsnuten des Metallrohres Iso- lierstäbe angeordnet. Durch die Längsnuten wird das Metallrohr radial federnd, wodurch erreicht. werden soll, dass der auf den Isolier- stäben aufliegende Widerstandsdraht auch bei Erwärmung im Betrieb fest. auf der Iso- lierunterlage bleibt.
Das Metallrohr dient fer ner auch als zusätzliche Kühlkörper, an den der Widerstandsdraht einen Teil seiner Wärme abstrahlt.
Ähnlich wie bei der Bauart für geschlos sene und explosionsgeschützte Widerstände kann nur etwa die Hälfte der Oberfläche des Widerstandsdrahtes Wärme durch Strahlung an die zusätzliche Kühlfläche abgeben, und zwar die dem Metallrohr gegenüberliegende Drahtoberfläche. An den Stellen, an denen der Widerstandsdraht auf den Isolierstäben aufliegt, ist. die Kühlung des Drahtes sehr schlecht.
Ein Ausgleich der Längenänderung des Widerstandsdrahtes durch die radiale Fe derung des Metallrohres liesse sieh nur errei- cben, wenn die Erwärmung über die gesamte Höhe des Widerstandselementes gleich ist. Da die Abkühlverhältnisse in verschiedener Höhe des Widerstandselementes ungleich sind, lässt sieh diese Bedingung nicht. erfüllen.
Bei Elementen mit Anzapfungen, bei denen ein Teil des Widerstandes belastet, der Rest jedoch unbelastet ist, versagt. der Längenaus gleich durch die radiale Federung des gemein samen Metallrohres jedoch vollkommen.
Die beschriebenen Mängel, -elche den bis her bekannten Bauarten von Widerständen anhaften, sind beim Widerstand nach der Er findung dadurch weitgehend behoben, dass er- finduingsgemäss gegenüber beiden Breitseiten der Bandoberflächen sekundäre Kühlkörper angeordnet sind.
Die in dem aktiven Widerstandsmaterial im Betrieb entstehende Wärme wird dann nicht -mir direkt durch Wärmeübergang von der Oberfläche desselben an die Luft. abge führt, sondern zusätzlich durch Strahlung an die sekundären Kühlkörper abgegeben.
Die Erfindung lässt sieh in gleicher Weise bei Widerständen für Dauerbetrieb wie bei solchen für intermittierenden Betrieb anwen den.
Eine Wärmespeieberung findet dabei in dem aktiven bandförmigen. Widerstandsmate rial nur in sehr beschränktem Umfang statt; die Wärme wird auf die sekundären Kühl körper übertragen, welche zweckmässigerweise so ausgebildet werden, da.ss deren Temperatur- Zeitkonstante wesentlich grösser ist. als die des aktiven Widerstandsmaterials.
Der Wärmeübergang an die Luft ent spricht dabei demjenigen für eine Strömung des Kühlmittels parallel oder annähernd par allel zur beheizten Fläche, da. die Kühlluft nur parallel oder in einem gewissen spitzen Winkel zur Breitseite an den Widerstands bändern und vorwiegend nur parallel an den sekundären Kühlkörpern vorbeistreichen kann.
Die erfindungsgemässe Ausbildung hat jedoch den grossen wirtsehaft.lichen Vorteil, dass der überwiegende Teil der in dem Wider standsmaterial entstehenden Verlustwärme nicht durch grosse Oberflächen des teueren legierten Widerstandsmaterials abgegeben werden muss, sondern durch Kühlkörper ab geführt werden kann, die sich aus billigerem .Material, z. B. Blechen aus Kupfer oder Eisen, erstellen lassen.
Das aktive Widerstandsmaterial ist vor zugsweise unter Verwendung metallischer Klemmstücke frei aufgehängt, und zwar so, dass die Bandteile von den Klemmstücken in bestimmten Abständen gehalten werden und von einem Klemmstück zum andern frei ge spannt sind, wobei die Klemmstücke im Ge stell so angeordnet sind, dass das Band in Form einer Wendel mit. Windungen, die nicht aneinander anliegen und deren Projektion auf eine -Normalebene zur Wendelachse min destens angenähert rechteekförmig ist, aufge wickelt ist.
Das Widerstandsband kommt zweekmässigerweise mit den sekundären Kühl körpern nicht in Berührung, sondern Band und Kühlkörper stehen nur im Strahlungs- austauseh. Dadurch können Schwierigkeiten, die sieh durch die verschiedenen Längenände rungen des aktiven Widerstandsmaterials und der sekundären Kühlkörper ergeben, vermie den werden.
Die Unterschiede in der Längen- zunalime durch die Erwärmung können ziem lieli gross sein, da das Widerstandsmaterial einen wesentlich grösseren Wärmeausdeh- nungshoeffizienten hat als z. B.
Kühlbleche aus Eisen oder Kupfer, und da ferner die Temperatur der primären Heizkörper, also des Widerstandsbandes, höher ist als die der sekundären Kühlkörper und ausserdem die Temperatur-Zeitkonstante der .Widerstands- bänder kleiner ist als die der Kühlbleche, wo durch die Verhältnisse so lange noch v er- sehleehtert werden, bis der Beharrungszu stand erreicht ist. Daher sind die Bandwendel vorzugsweise so angeordnet, dass das Widerstandsband bei jedem Betriebszustand stramm gehalten wird und nicht in leitende Berührung mit den Kühlkörpern oder z. B. mit dem Gestell des Widerstandes kommt.
Die Widerstandsbänder sind zweckmässig zwischen Klemmflächen metallischer Klemm stücke eingeklemmt. Die Klemiustücke selbst können unter Zwischenschaltung von Isolier material fest auf einer Seite des Gestelles mit diesem verbunden werden. Auf der gegen überliegenden Seite des Gestelles kann jede Windung mit einem zweiten Klemmstück iso liert mit einer Zugfeder verbunden und diese so an dein Gestell befestigt sein, dass die Windung vorgespannt werden kann.
Die Vor spannung der Feder wird zweckmässig so ge wählt, dass ihr Federweg gleich oder etwas grösser ist als die bei der maximalen Erwär mung des Widerstandsbandes in Richtimg-der freien Bandteile eintretende Längenzunahme der Bandwendelwindimg. Dadurch lässt sich erreichen, dass das Band bei jeder Betriebstem peratur stramm gehalten wird. Die bei maxi maler Erwärmung des Bandes verbleibende Federkraft kann entweder Null sein oder so klein gehalten werden, dass die bei der maxi malen Betriebstemperatur auf das Band aus geübte Zugkraft weit unterhalb der Dauer standswarmfestigkeit des Bandes bei dieser Temperatur liegt.
Um das Band von seinem Eigengewicht und dem Gewicht des mit einer Zugfeder verbundenen Klemmstückes zu ent lasten, ist letzteres Klemmstück zweckmässi- gerweise gleitend auf einem Tragkörper an geordnet, so dass von den Zugfedern nur die Reibungskräfte und der Bandzug auszuglei chen sind.
Da bei der vorstehend erwähnten Ausfüh rungsform des Widerstandes jede rahmenför mige Windung der Bandwendel -ihre eigene Zugfeder hat, können Temperaturunterschiede der einzelnen Wendelwindungen keinen nach teiligen Einfluss haben. Es spielt auch keine Rolle, ob von den zu einer Wendel gehören den Windungen einzelne zu- oder abgeschal tet sind. Bei einigermassen genauer Werk stattausführung der Wendel ist es auch nicht erforderlich, für jede einzelne Zugfeder eine eigene Spannschraube vorzusehen, da auch bei der maximalen Betriebstemperatur auf die Bandwendelwindungen immer noch eine kleine Zugkraft ausgeübt werden kann.
Damit kön nen kleine Unterschiede in der Länge des zwi schen zwei Klemmstücken eingespannten Ban des noch ausgeglichen werden, auch wenn die Federn aller zu einer Wendel gehören den Bandwendelwindungen gemeinsam vorge spannt werden.
Der erfindungsgemässe Widerstand kann so ausgebildet werden, dass die Schwierigkei ten, die sieh infolge der schlechten Wärme leitfähigkeit der Isolierstoffe und deren Emp findlichkeit gegen hohe Temperaturen er geben, dadurch vermieden werden können, da.ss das Widerstandsband nicht direkt, son dern nur indirekt über die Klemmstücke mit dem Isoliermaterial in Berührung kommt. Die Klemmstücke bestehen vorzugsweise aus zwei Metalleisten, die so ausgebildet sind, dass das Widerstandsband zwischen zwei in bezug auf die Richtung der Klemmkraft schräg ste henden Flächen eingeklemmt wird.
Da durch ergibt. sich ein hoher Druck zwischen Band und Klemmstück; für die Stromfüh rung steht in einem solchen Fall der gesamte (Auerschnitt der Klemmstücke zur Verfügung, der wesentlich grösser ist als der Bandquer schnitt. Es wird also einerseits die Verlust wärme an den Klemmstücken sehr klein ge halten und zusätzlich das Wä.rmespeieherver- mögen erhöht. Die Klemmstücke können frei im Luftstrom liegen und Kühlrippen aufwei sen.
Ihre Temperatur kann dadurch so niedrig bleiben, dass allfällig vorhandene Schraubverbindungen für die Stromanschlüsse an den Anzapfungen in keiner Weise ge fährdet sind und dass ausserdem das Isolier material, mit dem die Klemmstücke gegen das Gestell elektrisch isoliert ist., thermisch nur sehr niedrig beansprucht wird. Bei einer vorteilhaften Bauart besteht die Isolierung der Klemmstücke nur aus zwei Isolierschei- ben, die den Kopf und die Mutter einer Schraubverbindung gegen das Klemmstück isolieren, und einer Isolierbuchse, die den Schraubenschaft elektrisch von den beiden Teilen der Klemmstücke trennt.
Die dabei auftretenden Temperaturen an den Isolier- stellen erfordern keine. hochwertigen, kerairii- sehen, wärmebeständigen Isolierstoffe. Es lassen sich einfache, mechanisch feste Isolier stoffe verwenden, weshalb sieh die Wider stände auf einfache Weise erseliiitterungsfest bauen lassen.
Die Isolation des Widerstandsmaterials gegen das Gestell kann aueh an die Stellen verlegt sein, an denen die Klemmstüeke mit dem Gestell verbunden sind, und bei Klemm stücken, welche über Zugfedern am Gestell verankert sind, können die Zugfedern in Leisten aus Isolierstoff eingehängt sein.
Die Widerstände können innerhalb einer Wendel ohne jede Klemm-, Sehraub- oder Schweissverbindung des aktiven Widerstands materials ausgeführt, sondern aus einem un unterbrochenen fortlaufenden Widerstands band gewickelt sein. Schmorstellen an den Verbindungsstellen der einzelnen Widerstands elemente können dann nicht auftreten. Die Verbindung der einzelnen Wendeln unterein ander kann von Klemmstücken aus im Be reich niedriger Temperaturen erfolgen; der Querschnitt der Verbindungsleitungen kann so gewählt werden, dass eine unzulässige Er wärmung nicht auftreten kann.
Im vorstehend erwähnten Ausführungs beispiel können die Kontaktorkane für die -In- zapfungen ohne Unterbrechung des Wider standsbandes an den Klemmstücken beige klemmt werden. liegen dann also auch an Stel len, an denen die Temperatur für die Schraub verbindung vollkommen ungefährlich ist.
Da die im Betrieb zulässige Temperatur des aktiven Widerstandsmaterials nicht durch Rücksichten auf Kontaktverbindungen oder die Isolierstoffe beschränkt ist, sondern sieh lediglich nach den physikalischen Eigenschaf ten der Widerstandsbänder richten kann, also höher als bei den bekannten Bauarten sein kann, ergeben sieh ziemlich grosse Längen änderungen der Bandwendel. -Das nufgewik- kelte Band kann deshalb in geeigneten Ab ständen an Festpunkten verankert. sein, z. B.
durch die Anordnung der erwähnten Kleinin- stüeke, wodurch die gesamte Längenänderung des Bandes entsprechend der Anzahl der Bandwendelwindungen unterteilt wird. Die Zugfedern haben dann jeweils nur die zwi schen zwei Klemnistüclzen auftretende Län genänderung der Bandwendelteile auszu- gleiehen.
Als Widerstandsmaterial werden zweck mässig dünne Bänder mit hohem spezifischem Widerstand, vorzugsweise aus austenitischen Chromnickellegierungen, verwendet, die im Vergleich zu 'N#@7iderstandsmaterial mit, ferri- tisebem Gefüge eine höhere Warmfestigkeit haben.
Beiliegende Zeichnung zeigt ein Ausfüh rungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes. Fig. 1 stellt den Grundriss des Widerstan des mit zwei Widerstandsblöcl@en, Fig. 2 einen Schnitt nach Linie a-b und Fig. 3 einen Schnitt nach Linie c-d in Fig. 1 dar.
Fig. 4- stellt teilweise im Schnitt eines der Klemmstücke dar, wie sie für die direkte Befestigung der Bandwendel am Gestell vor- ;;esehen sind. Fig. 5 stellt ebenfalls teilweise im Schnitt eines der Klemmstücke dar, die über eine Zugfeder eine Bandwendelwindung init dem Gestell verbinden.
Die Widerstandsbänder 1 sind auf einer Seite durch die Klemmstücke 2 und die Gabel- muttern 3 mit dem in der Zeichnung nicht. dargestellten Gestell verbunden. Auf der ge- ,renüberliegenden Seite sind die Bandwendel über Gabelmuttern 3' in Zugfedern 4 einge liängt.
Die Zugfedern 4- sind an Flacheisen oder Isolierträgern 5 befestigt, die verschieb- bar mit dein Gestell so verbunden sind, dass eine Vorspannung der Zugfedern -1 durch die Stellschrauben 8 erfolgen kann.
Das Ge- dieht der Bandwendel und der Klemmstücke '' ist durch Träger 9 aufgenommen, die in dem Schlitz der Gabelmuttern 3 so angeord net sind, dass die Gabelmutter 3 auf dem Trä- @-er 9 -leiten kann. Der Schlitz der Gabelmut- tern 3' entspricht dem Federweg der Zug federn 4.
In Fig. 2 und 5 ist. die Stellung bei kaltem Widerstandsband eingezeichnet; bei Erwärmung der Bandwendel verkürzen sich die Zugfedern 4, die Gabelmuttern 3' und die Klemmstücke 2' wandern nach rechts und hal- ten die Widerstandsbänder in jeder Betriebs lage stramm.
Im obern Teil des Grundrisses Fig. 1 liegen die frei ausgespannten Teile der Band wendel in Vertikalebenen, und die sekundären Kühlkörper sind als Kühlkasten 6 ausgebil det. Im untern Teil des Grundrisses Fig. 1 und in dem untern Teil des Schnittes G--d (Fig. 3 ist eine Bauart gezeichnet, bei der die frei ausgespannten Teile der Bandwendel in einem gewissen Winkel zur Vertikalen an geordnet sind, um den Wärmeübergang durch Wärmeübergang von den primären Heiz körpern an die durchströmende Kühlluft zu verbessern. Als sekundäre Kühlkörper sind gewöhnliche Bleche 7 vorgesehen.
Bei Geräten mit Wasserkühlung tauchen die Kühlbleche 7 in trogförmigen Kühlrinnen 16, die ge nügend Abstand voneinander haben, um den Zutritt von Kühlluft an die primären Heiz körper und die sekundären Kühlkörper zu ermöglichen.
Die Klemmstücke 2 und 2' bestehen aus zwei Teilen mit Klemmflächen a. Das Wider standband 1 ist durch die Schraube 3s mit Gabelmutter 3 zwischen den Klemmflächen a eingeklemmt. Durch die Keilwirkung lassen sich selbst bei geringen Zugkräften der Schraube sehr hohe Drücke an den Klemm flächen erzielen, wodurch ein guter Wärme- und Stromübergang gewährleistet ist. Die zweiteiligen Klemmstücke 2 und 2' haben einen wesentlich grösseren Querschnitt und grössere Masse als das Widerstandsband. Die in ihnen erzeugte Verlustwärme kann ver nachlässigt werden, das Wärmespeicherver mögen ist gross.
Die Klemmstücke liegen frei im Luftstrom und können, wie in Fig. 4 und 5 gezeichnet, mit zusätzlichen Kühlrippen ver sehen sein.
Die Isolation besteht aus zwei Isolierschei- ben 10 und einer Isolierbüchse 12, die den Schraubenschaft elektrisch von dem Klemm stück 2 bzw. 2' trennt. Zaun Schutz der Iso- lierscheiben 10 sind zwischen diesen und dem Schraubenkopf bzw. der Gabelmutter Unter lagScheiben 11 vorgesehen. Die Klemmstücke 2 sind durch die Gabelmuttern 3 fest mit den Flacheisen 14 des Gestelles verschraubt.
Wird an Stelle der Flacheisen 1-I eine Leiste aus Isoliermaterial gewählt, so kann auf die Iso lierteile 10 und 12 verzichtet werden und die Isolierung an eine Stelle verlegt werden, an der die Temperaturen noch niedriger sind als an den Klemmstücken.
An den LTmlenkstellen des Bandes mit federnder Aufhängung der Bandwendelteile sind die Zugfedern 4 in Flacheisen oder Isolierleisten 5 eingehängt., die beweglich im Gestell angeordnet sind. Durch die Spann schrauben 8, die in den Befestigungseisen 15 ihr Widerlager haben, werden die Flacheisen oder Isolierleisten 5 so einreguliert, dass die Zugfedern .I bei kaltem Widerstandsband um einen Betrag vorgespannt sind, der der Dehnung der Widerstandsbänder bei der höch sten Betriebstemperatur entspricht oder etwas grösser ist.
Die Anschlüsse für die Stromzuführung oder Stroinabnahine erfolgen über die An schlussklemmen 17.
Der Ilauptvorteil des beschriebenen Wi derstandes besteht in der Möglichkeit einer grossen Gewiehtsersparnis gegenüber einem Widerstand gleicher Leistung nach bisherigen Bauarten. Versuche haben gezeigt, dass zum Bau des Widerstandes für Dauerbetrieb und Luftkühlung an Gewicht für Widerstands Bänder und sekundäre Kühlbleehe beispiels weise erforderlich sind:
etwa 10 % des Gewichtes der Gusselemente eines modernen Widerstandes gleicher Lei- stun- mit Busseisernen Widerstandselementen für 100 % Einschaltdauer, etwa 18 % des Ge wichtes eines Vergleichswiderstandes für die gleiche Belastung bei 40 % Einschaltdauer und etwa -15 ,ö des Gewichtes eines Vergleichs widerstandes, der für die gleiche Leistung, jedoch nur bei 7.2,5 % Einschaltdauer aus gelegt ist.
Bei Widerständen und Anlassern mit j'lnza.pfungen wird das Verhältnis der Kühl flächen der sekundären Kühlkörper zur Oberfläche des aktiven Widerstandsmaterials beim Abschalten einzelner Widerstandsele mente immer grösser, und dadurch werden die Abkühlverhältnisse verbessert. Wenn man diesen Vorteil voll ausnutzen will, wird man wegen der besseren Wärmeleitfähigkeit Kup ferbleche als sekundäre Kühlkörper verwenden.
Die sekundären Kühlkörper bestehen zweckmässigerweise bei ortsbewegliehen Wi derständen, die nur durch Luft abgekühlt werden, aus Eisen- oder Kupferblechen. Bei ortsfesten Widerständen lässt sieh eine beson ders hohe Kühlwirkung dadurch erzielen, wenn man wegen der besseren Wärmeleit fähigkeit Kupferbleche als sekundäre Kühl körper verwendet und diese in strömendes Wasser eintauchen lässt.
Da der Wärmeleitwiderstand der verhält nismässig dünnen Kupferbleche jedoch immer noch hoch ist, werden (vorteilhafterweise) für Widerstände grosser Leistung die sekun dären Kühlkörper durch Kühlkasten aus Kup fer gebildet, die vom Kühlwasser durchströmt werden und den Widerstandsbändern direkt gegenüberstehen. Da die Wandtemperatur der Kühlkasten bei entsprechendem Kühlwasser durchsatz sehr niedrig gehalten werden kann, die durch Strahlung übertragene Wärme menge jedoch der vierten Potenz der Tem peraturdifferenz zwischen strahlender und be strahlter Fläche proportional ist, lassen sieh bei dieser Bauart besonders hohe Wärme mengen auf sehr kleinem Raum abführen.
Bei den Geräten mit wassergekühlten Se- kundä.rkühl.körpern kann eine Gefährdung der Anlage durch Dampfbildung dadurch ver mieden werden, dass der Wasserumlauf in Be trieb genommen sein muss, bevor der Wider stand belastet wird.
Bei Geräten für intermittierenden Betrieb kann auch die während des Betriebes ent stehende Verlustwärme über sekundäre Kühl bleche in Wasser oder Metalle abgeleitet wer den und die latente Verdampfungswärme des Wassers oder die Sehinelz- oder Verdamp- fungswärme der Metalle zur Wärmespeielie- rung ausgenutzt werden.
Während der Be triebspausen werden in solchen Fällen beim Übergang vom gasförmigen zum flüssigen bzw. vom flüssigen zum festen Aggregatszu- stand die Verdampfungs- bzw. Schmelzwär- tuen wieder frei und z. B. an die umgebende Luft abgegeben.
Bei "V#'iderständen mit Kühlblechen darf deren Temperatur bis zur Zundergrenze, das heisst. etwa 520 C bei Eisen und etwa. 400 C bei Kupfer, ansteigen. Um die schädlichen Einflüsse des Verbiegens der Bleche bei die sen Temperaturen auszuschalten, werden die, Kühlbleche zweckmässigerweise unterteilt und so in dem Gestell aufgehängt, dass sie sich nach allen Richtungen dehnen können.
Electrical resistance with ribbon-shaped resistance material. The invention relates to an electrical Seher resistor with a band-shaped resistance material, especially for starters and radiators.
The previously known such resistance stands differ depending on the loading operating conditions that are placed on the devices. In the case of devices for continuous operation, a design was usually chosen in which tveniarr value a large heat storage capacity, but the main emphasis is placed on the cooling conditions with large cooling surfaces of the resistor material (tape or wire resistors). The wire or ribbon coils are either suspended in the air as freely as possible or are wound over sheet metal webs using mostly ceramic insulating supports.
With regard to the increase in length of the resistor material that occurs during heating, the resistor elements are arranged vertically in this design. The insulating supports prevent the access of the cooling air to the sheet metal webs and the sides of the resistor material facing them.
In the case of starters and resistors for intermittent operation, types were selected that have a large temperature-time constant in order to be able to overload the devices in relation to continuous operation. For drives that are started or controlled frequently, the duty cycle and the switching frequency for the resistors are higher than for starters for machines that work continuously or are only started at longer intervals.
A large time constant is achieved with the resistors of the first type due to the large masses and weights of the active resistance material (resistors with cast elements or alloyed sheets). In the case of resistors and starters for short loading times and long cooling breaks, a long time is constant by embedding the active MTi resistor material in insulating fillers, e.g. B. sand or oil achieved. A disadvantage of this design is that sand or insulating fillers are poor heat conductors.
In the case of oil, the heat dissipation of the active resistance material is improved by the oil circulation that occurs during heating.
Some designs are also known in which heat from the active resistance material is transferred to additional cooling surfaces. For completely encapsulated resistors for permanent switching for use on ships, in dusty or explosive rooms, a construction is used in which the resistance wire is wound onto porcelain cylinders and the individual resistance elements are tightly enclosed by the walls of the housing with cooling surfaces.
In one of these known cases, the housing also has pocket-shaped or tubular extensions, which means that additional air ducts are formed for cooling. With this design, the presence of the additional cooling surfaces that are present on the C housing wall or on the built-in pipe sections can place higher loads on the resistance material. Because the resistance wire. but wound on a porcelain cylinder. there is only one-sided cooling of the resistance material, while the cooling of the wire side that rests on the porcelain cylinder is very poor.
Because the resistance material takes on a higher temperature. than the additional heat sinks having the cooling surfaces, heats up much more quickly. as this and also the coefficient of thermal expansion of the alloyed resistance material is greater than that of the surrounding sheet metal, the heating and thus the resilience of the resistance material are tight limits if you want to avoid the wire helix making contact with the surrounding sheet metal walls the housing.
In another design, a resistance winding made of wire is attached to a metal tube. Longitudinal grooves wound. To isolate the resistance wire from the metal tube, insulating rods are arranged in the longitudinal grooves of the metal tube at suitable intervals. The longitudinal grooves make the metal tube radially resilient, thereby achieving. it should be ensured that the resistance wire resting on the insulating rods remains firmly in place even when it is heated during operation. remains on the insulating pad.
The metal tube also serves as an additional heat sink to which the resistance wire radiates some of its heat.
Similar to the design for closed and explosion-proof resistors, only about half of the surface of the resistance wire can give off heat through radiation to the additional cooling surface, namely the wire surface opposite the metal tube. At the points where the resistance wire rests on the insulating rods. the cooling of the wire very bad.
Compensation for the change in length of the resistance wire due to the radial springing of the metal tube can only be achieved if the heating is the same over the entire height of the resistance element. Since the cooling conditions are unequal at different heights of the resistance element, this condition does not apply. fulfill.
Elements with taps, where part of the resistance is loaded but the rest is unloaded, fails. the length compensation due to the radial suspension of the common metal tube but completely.
The described deficiencies, which adhere to the previously known types of resistors, are largely eliminated in the resistor according to the invention in that, according to the invention, secondary heat sinks are arranged opposite both broad sides of the strip surfaces.
The heat generated in the active resistance material during operation is then not transferred to me directly through heat transfer from the surface of the same to the air. abge leads, but also emitted by radiation to the secondary heat sink.
The invention can be seen in the same way for resistors for continuous operation as for those for intermittent operation.
A heat transfer takes place in the active band-shaped. Resistance material only takes place to a very limited extent; the heat is transferred to the secondary cooling bodies, which are expediently designed so that their temperature-time constant is significantly greater. than that of the active resistance material.
The heat transfer to the air corresponds to that for a flow of the coolant parallel or approximately par allel to the heated surface, there. the cooling air can only sweep past the resistance bands parallel or at a certain acute angle to the broad side and predominantly only parallel to the secondary heat sinks.
The design according to the invention, however, has the great economic advantage that the majority of the heat lost in the resistance material does not have to be dissipated through large surfaces of the expensive alloyed resistance material, but can be dissipated through heat sinks made of cheaper .Material, z. B. sheets made of copper or iron, create.
The active resistance material is preferably freely suspended using metallic clamping pieces, in such a way that the band parts are held by the clamping pieces at certain intervals and are freely stretched from one clamping piece to the other, the clamping pieces being arranged in the Ge alternate so that the band in the form of a helix. Windings that are not in contact with one another and whose projection on a normal plane to the helix axis is at least approximately rectangular, is wound up.
In two ways, the resistance band does not come into contact with the secondary heat sinks, but the band and heat sinks are only in the radiation exchange. As a result, difficulties caused by the various changes in length of the active resistance material and the secondary heat sinks can be avoided.
The differences in the length increase due to the warming can be quite large, since the resistance material has a much greater coefficient of thermal expansion than, for example, B.
Cooling plates made of iron or copper, and since the temperature of the primary heating element, i.e. the resistance band, is higher than that of the secondary cooling element and, in addition, the temperature-time constant of the resistance bands is smaller than that of the cooling plates, where the circumstances mean that this is so long be mistaken until the steady state is reached. Therefore, the spiral band are preferably arranged so that the resistance band is kept taut in every operating state and not in conductive contact with the heat sinks or z. B. comes with the frame of the resistor.
The resistance bands are conveniently clamped between the clamping surfaces of metallic clamping pieces. The clamping pieces themselves can be firmly connected to one side of the frame with the interposition of insulating material. On the opposite side of the frame, each turn can be connected to a tension spring with a second clamping piece, insulated, and attached to the frame so that the turn can be pretensioned.
The pre-tensioning of the spring is expediently chosen so that its spring deflection is the same or slightly greater than the increase in length of the coil winding occurring at the maximum heating of the resistance band in the direction of the free band parts. This ensures that the belt is kept taut at every operating temperature. The remaining spring force when the belt is heated to the maximum can either be zero or kept so small that the tensile force exerted on the belt at the maximum operating temperature is far below the long-term thermal stability of the belt at this temperature.
In order to relieve the belt of its own weight and the weight of the clamping piece connected to a tension spring, the latter clamping piece is expediently arranged in a sliding manner on a support body, so that only the friction forces and the belt tension have to be compensated by the tension springs.
Since, in the above-mentioned embodiment of the resistor, each frame-shaped turn of the ribbon coil has its own tension spring, temperature differences between the individual coil turns cannot have any adverse effect. It also does not matter whether individual turns of the turns belonging to a coil are switched on or off. In the case of a reasonably precise workshop version of the helix, it is also not necessary to provide a separate tensioning screw for each individual tension spring, since a small tensile force can still be exerted on the band helix windings even at the maximum operating temperature.
In this way, small differences in the length of the belt clamped between two clamping pieces can still be compensated for, even if the springs all belong to one helix and the band helix windings are pretensioned together.
The resistor according to the invention can be designed in such a way that the difficulties arising from the poor thermal conductivity of the insulating materials and their sensitivity to high temperatures can be avoided by not directing the resistance band directly, but only indirectly the clamping pieces come into contact with the insulating material. The clamping pieces preferably consist of two metal strips which are designed so that the resistance band is clamped between two surfaces which are inclined with respect to the direction of the clamping force.
As a result. there is high pressure between the band and the clamping piece; In such a case, the entire cross-section of the clamping pieces is available for the power supply, which is significantly larger than the strip cross-section. On the one hand, the heat loss at the clamping pieces is kept very small and the heat storage capacity is also increased The clamping pieces can lie freely in the air flow and have cooling fins.
This means that their temperature can remain so low that any existing screw connections for the power connections on the taps are in no way endangered and that the insulating material with which the clamping pieces are electrically isolated from the frame is only subjected to very low thermal loads. In an advantageous design, the insulation of the clamping pieces consists only of two insulating washers, which isolate the head and the nut of a screw connection from the clamping piece, and an insulating bushing, which electrically separates the screw shaft from the two parts of the clamping pieces.
The temperatures occurring at the insulation points do not require any. high-quality, kerairii- see, heat-resistant insulating materials. Simple, mechanically strong insulating materials can be used, which is why the resistors can be easily built to be resistant to corrosion.
The insulation of the resistance material against the frame can also be moved to the points where the clamping pieces are connected to the frame, and in the case of clamping pieces which are anchored on the frame via tension springs, the tension springs can be hung in strips made of insulating material.
The resistors can be executed within a coil without any clamping, welding or welding connection of the active resistance material, but instead be wound from an uninterrupted continuous resistance band. Scorch marks at the connection points of the individual resistance elements can then not occur. The connection of the individual coils unterein other can be done by clamping pieces in the Be rich lower temperatures; The cross-section of the connecting lines can be selected so that inadmissible heating cannot occur.
In the aforementioned embodiment, for example, the Kontaktorkane for the -In- taps can be clamped to the clamping pieces beige without interrupting the resistance band. are then also in places where the temperature for the screw connection is completely harmless.
Since the permissible temperature of the active resistance material during operation is not limited by considerations of contact connections or the insulating materials, but can only be based on the physical properties of the resistance bands, i.e. it can be higher than with the known types, there are quite large changes in length Coil. -The wrapped tape can therefore be anchored to fixed points at suitable distances. be e.g. B.
due to the arrangement of the aforementioned small pieces, whereby the entire change in length of the tape is subdivided according to the number of coil turns. The tension springs then only have to compensate for the change in length of the coil parts that occurs between two clamping pieces.
The resistance material used is suitably thin strips with a high specific resistance, preferably made of austenitic chromium-nickel alloys, which have a higher heat resistance compared to the resistance material with a ferritic structure.
The accompanying drawing shows an exemplary embodiment of the subject matter of the invention. 1 shows the plan view of the resistance with two resistance blocks, FIG. 2 shows a section along line a-b and FIG. 3 shows a section along line c-d in FIG.
Fig. 4- shows partially in section one of the clamping pieces as they are provided for the direct attachment of the spiral tape to the frame. FIG. 5 also shows partially in section one of the clamping pieces which connect a coil winding to the frame via a tension spring.
The resistance bands 1 are not on one side due to the clamping pieces 2 and the fork nuts 3 with the one in the drawing. connected frame. On the opposite side, the band helix is lengthways in tension springs 4 via fork nuts 3 '.
The tension springs 4- are attached to flat iron or insulating supports 5, which are slidably connected to the frame in such a way that the tension springs -1 can be pretensioned by the adjusting screws 8.
The thread of the tape coil and the clamping pieces ″ is received by carriers 9 which are arranged in the slot of the fork nuts 3 so that the fork nut 3 can guide on the carrier 9. The slot in the fork nuts 3 ′ corresponds to the spring travel of the tension springs 4.
In Figs. 2 and 5 is. the position shown when the resistance band is cold; When the coil is heated, the tension springs 4 shorten, the fork nuts 3 'and the clamping pieces 2' move to the right and keep the resistance bands taut in every operating position.
In the upper part of the plan Fig. 1, the freely stretched parts of the band helix are in vertical planes, and the secondary heat sinks are ausgebil det as a cooling box 6. In the lower part of the plan Fig. 1 and in the lower part of the section G - d (Fig. 3, a design is drawn in which the freely stretched parts of the spiral tape are arranged at a certain angle to the vertical to the heat transfer through To improve heat transfer from the primary radiators to the cooling air flowing through, ordinary metal sheets 7 are provided as secondary heat sinks.
In devices with water cooling, the cooling plates 7 dip in trough-shaped cooling troughs 16, which ge have sufficient distance from each other to allow the access of cooling air to the primary heating body and the secondary heat sink.
The clamping pieces 2 and 2 'consist of two parts with clamping surfaces a. The counter stand band 1 is clamped by the screw 3s with fork nut 3 between the clamping surfaces a. Due to the wedge effect, very high pressures can be achieved on the clamping surfaces even with low tensile forces on the screw, which ensures good heat and current transfer. The two-part clamping pieces 2 and 2 'have a much larger cross section and greater mass than the resistance band. The heat loss generated in them can be neglected, the heat storage capacity is large.
The clamping pieces are exposed in the air flow and can, as drawn in Fig. 4 and 5, be seen ver with additional cooling fins.
The insulation consists of two insulating washers 10 and an insulating sleeve 12, which electrically separates the screw shaft from the clamping piece 2 or 2 '. Fence protection of the insulating washers 10 are provided between these and the screw head or the fork nut underlay washers 11. The clamping pieces 2 are firmly screwed to the flat iron 14 of the frame by means of the fork nuts 3.
If a bar made of insulating material is selected instead of the flat iron 1-I, the Iso lierteile 10 and 12 can be dispensed with and the insulation can be moved to a point where the temperatures are even lower than the clamps.
At the steering points of the belt with the resilient suspension of the spiral belt parts, the tension springs 4 are suspended in flat iron or insulating strips 5, which are movably arranged in the frame. Through the tensioning screws 8, which have their abutment in the fastening iron 15, the flat iron or insulating strips 5 are adjusted so that the tension springs .I are biased when the resistance band is cold by an amount that corresponds to the expansion of the resistance bands at the highest operating temperature or is a little bigger.
The connections for the power supply or Stroinabnahine are made via the connection terminals 17.
The main advantage of the resistance described is the possibility of a large weight saving compared to a resistance of the same performance according to previous designs. Tests have shown that to build the resistor for continuous operation and air cooling in weight for resistor bands and secondary cooling sheets are required, for example:
about 10% of the weight of the cast elements of a modern resistor with the same power with bus-iron resistor elements for 100% duty cycle, about 18% of the weight of a reference resistor for the same load at 40% duty cycle and about -15.0 the weight of a reference resistor , which is designed for the same performance, but only with a 7.2.5% duty cycle.
In the case of resistors and starters with interlocking, the ratio of the cooling surfaces of the secondary heat sinks to the surface of the active resistance material increases when individual resistance elements are switched off, and this improves the cooling conditions. If you want to take full advantage of this advantage, you will use copper sheet metal as a secondary heat sink because of the better thermal conductivity.
The secondary heat sinks are expediently made of iron or copper sheets in the case of localized Wi resistances that are only cooled by air. In the case of stationary resistors, a particularly high cooling effect can be achieved if, because of their better thermal conductivity, copper sheets are used as secondary heat sinks and these are immersed in flowing water.
However, since the thermal resistance of the relatively thin copper sheets is still high, the secondary heat sinks are (advantageously) formed by cooling boxes made of Kup fer for high-performance resistors, through which the cooling water flows and which face the resistance bands directly. Since the wall temperature of the cooling box can be kept very low with the appropriate cooling water throughput, but the amount of heat transferred by radiation is proportional to the fourth power of the temperature difference between the radiant and the irradiated area, this design allows particularly high amounts of heat in a very small space discharge.
In the case of devices with water-cooled secondary heat sinks, a risk to the system due to the formation of steam can be avoided by starting the water circulation before the resistance is loaded.
In devices for intermittent operation, the heat loss generated during operation can also be dissipated into water or metals via secondary cooling plates, and the latent heat of evaporation of the water or the heat of evaporation or evaporation of the metals can be used for heat storage.
During the breaks in operation, in such cases, when there is a transition from gaseous to liquid or from liquid to solid aggregate state, the evaporation or melting temperatures are released again and z. B. released to the surrounding air.
In the case of resistances with cooling plates, their temperature may rise to the scale limit, i.e. around 520 C for iron and around 400 C for copper. In order to eliminate the harmful effects of bending the sheets at these temperatures, the Cooling plates are expediently divided and hung in the frame in such a way that they can expand in all directions.