Gleichrichtereinheit Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gleichrichtereinheit, in welcher die Gleichrichterzelle umschlossen ist, so dass sie vor mechanischen Be schädigungen geschützt und von Kühlmassen so um geben ist, dass die Zelle vor Übertemperaturen wäh rend des Betriebes gesichert ist.
Aus Grenzschichten bestehende Gleichrichter zellen sind ausserordentlich empfindlich gegen me chanischen Druck, die chemische Zusammensetzung der Umgebung und gegen zu hohe Temperaturen. Dies trifft insbesondere auf monokristalline Halb leiter zu, bei denen die Gleichrichterschicht aus einer p-ii-Grenzschicht besteht, wie beispielsweise in Ger manium- oder Silizium-Gleichrichterzellen.
Die Stromdichte von Germanium- und Silizium zellen ist dann bemerkenswert hoch, wenn gross flächige p-n-Grenzschichten zur Verwendung gelan gen. Eine Germaniumzelle mit einem Durchmesser von etwa 14,3 mm kann beispielsweise bei einer Spannung von 35 V und einem Strom von 75 A eine Halbwellengleichrichtung durchführen, wobei ein Wärmeäquivalent von ungefähr 60 W erzeugt wird. Diese Wärmemenge muss praktisch im Augenblick des Entstehens von der Zelle abgeführt werden, da die Zelle sonst überhitzt und zerstört wird.
Da eine Gleichrichterzelle mit den oben beschriebenen Eigenschaften kleiner als eine Münze ist, ist auch ihre eigene thermische Zeitkonstante ausserordent lich klein; während diese Zeitkonstante bei anderen elektrischen Anlagen wie Rotationsmaschinen und Transformatoren in Sekunden gemessen wird, wobei eine entsprechende Wärmeentwicklung ungefähr in 4,5 kg Kupfer entsteht, ist sie im vorliegenden Fall mit der Periodendauer des Wechselstroms vergleich bar. Darüber hinaus sind die aus dünnen Grenz- schichten bestehenden und bei hohen Spannungen betriebenen Zellen ausserordentlich anfällig gegen Feuchtigkeit, Staub, ätzende Dämpfe, Pilze und an dere aktive in der Atmosphäre vorkommende Sub stanzen.
Zum Schutz gegen diese schädlichen Ein flüsse sollten die Zellen abgekapselt und vorzugs weise hermetisch abgeschlossen werden. Silizium- und G.ermaniumzellen sind darüber hinaus nicht nur wegen der Brüchigkeit dieser Metalle ausser ordentlich druckempfindlich, sondern auch weil die zur Herstellung der gewünschten p-n-Grenzschicht verwendeten verunreinigten Metalle auf Grund eines äusseren mechanischen Druckes plastisch werden und aus dem Gleichrichter herausquellen können.
Dies gilt insbesondere für Germaniumzellen, in denen Indium zur Herstellung einer Elektronenacceptor- schicht benützt wird, da derartige Zellen bereits bei relativ niedrigen Temperaturen plastisch werden.
Unabhängig von diesen Faktoren, die durch eine entsprechende Anordnung der Zellen in der Gleich richtereinheit berücksichtigt werden können, sollten derartige Gleichrichtereinheiten auch bei verschiede nen Zellengrössen einheitlich ausgebildet sein, so dass Kombinationen und Verbindungen solcher Bauein heiten zusammengestellt werden können, und somit die elektrische Kapazität mehrerer solcher Einheiten verwendet werden kann.
Die Baueinheit sollte darüber hinaus mit Kühl einrichtungen versehen sein, die bei einer Anordnung von mehreren Einheiten und bei der Verwendung eines unter Druck stehenden Kühlmediums bei jeder einzelnen Zelle die gleiche Kühlwirkung erzeugt, wie bei einer isolierten Einheit. Die Durchflussleitun- gen des Kühlmediums müssen dabei in den Bauein heiten so angeordnet sein, dass sie sich bei einem Zusammenbau aneinander anschliessen, so dass Durchflussleitungen durch die ganze Anordnung ent stehen. Es ist somit ein Zweck der Erfindung, eine Gleichrichtereinheit mit einer verbesserten Arbeits- kennlinie zu schaffen.
Dies wird erreicht durch zwei Kühlorgane mit mehreren voneinander getrennten, wärmeabgebenden Wänden, wobei die einander ge genüberliegenden Kontaktflächen der Zelle, die sich zwischen den Kühlorganen befindet, in wärmeleiten dem Kontakt mit den Kühlflächen stehen und sich die Kühlorgane über die zwischen ihnen befindliche Zelle hinaus erstrecken.
Zweckmässigerweise sind die Kühlorgane parallel zueinander angeordnet und weisen gleichbleibenden Querschnitt auf. Die Kühlflächen stehen in wärme leitendem Kontakt mit den einander gegenüberlie genden Kontaktflächen der Gleichrichterzelle, die zwischen den Kühlorganen angeordnet ist. Ferner befindet sich vorzugsweise Isoliermaterial zwischen den beiden Kühlorganen, das mit den Teilen ihrer Flächen verbunden ist, die sich seitlich der Zelle befinden und nicht mit ihr in Wärmeaustausch stehen.
In den beiliegenden Zeichnungen sind beispiels weise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstan des dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 die perspektivische Ansicht einer Gleich richtereinheit im Schnitt, die besonders die mecha nische Verbindung gleicher derartiger Einheiten zeigt, Fig. 2 den Grundriss einer aus mehreren Gleich richtereinheiten bestehenden Anordnung, Fig. 3 die Kühleinrichtung eines weiteren Aus führungsbeispiels im Schnitt.
Die in den Zeichnungen dargestellten Gleich richtereinheiten bestehen aus je zwei parallel verlau fenden metallischen Kühlorganen mit korrespondie renden, einander gegenüberliegenden Seitenwänden, die in ihrer ganzen Länge über eine isolierende Zwi schenschicht miteinander verbunden sind. Diese Zwischenschicht ist jedoch an den Stellen unterbro chen, an denen die Seitenwände mit den Kontakt flächen einer Gleichrichterzelle einen wärmeaustau schenden und elektrischen Kontakt bilden. Die Gleichrichterzelle ist auf diese Weise zwischen den Kühlorganen eingeschlossen und durch das isolie rende Material von der umgebenden Atmosphäre abgeschlossen.
Die Isolierschicht liegt dabei an den jenigen Flächen der Kühlorgane an, die sich seitlich an die mit der Gleichrichterzelle in Kontakt stehen den Teile anschliessen. Beide Kühlorgane besitzen über ihre ganze Länge gleichmässigen Querschnitt und sind innen mit Durchflussleitungen für das Kühl medium versehen, wobei diese Kühhnittel-Durchfluss- leitungen sich in Längsrichtung .erstrecken und teil weise von den Seitenwänden begrenzt sind,
die an der Aussenseite mit den Wärmekontaktflächen der zwischen den Kühlorganen eingebetteten Gleichrich- terzelle in Wärmeaustausch stehen. Ferner können zwischen der Gleichrichterzelle und den Kühlorganen wärmeaufnehmende Teile angeordnet sein, es ist je doch auch möglich, den Kühlorganen eine so grosse Masse zu geben, dass sie ausreichend wärmeaufneh- tuend wirken können.
Die sich längs erstreckenden Durchflussleitungen für das Kühlmedium enden der art, dass sie mit den entsprechenden Enden einer weiteren Einheit übereinstimmen, so dass bei einer Zusammenstellung eine kontinuierliche Durchfluss- leitung für ein unter Druck stehendes Kühlmedium entsteht. Ein metallisches Leiterstück ist an jedes ebenfalls aus Metall bestehende Kühlorgan ange schlossen, die Organe dienen dabei als elektrische Verbindungen zwischen den einen Enden der Leiter stücke und den entsprechenden Kontaktflächen der Gleichrichterzelle, mit denen sie ihrerseits in Be rührung sind.
Diese Leitungen werden vorzugsweise an verschiedenen, .einander gegenüberliegenden Seiten der Gleichrichtereinheiten herausgeführt.
Die verbesserte Arbeitskennlinie einer Gleich richtereinheit ist von der Grösse des Kühlsystems und von der Masse des Metalls abhängig, das sich mit der Gleichrichterzelle in' Wärmekontakt befindet. Durch eine Vergrösserung der thermischen Kapazität der Zelle, das heisst durch die Vergrösserung der thermischen Zeitkonstanten wird nun erreicht, dass die Zelle widerstandsfähiger gegen Stromerwärmung wird und dass ferner eine bestimmte Zeitspanne ge wonnen wird, während der die Zelle nicht zerstört wird, auch wenn die schützende Kühleinrichtung noch nicht in Funktion ist.
Die Kühlorgane werden vorzugsweise durch Strangpressen hergestellt, sie können jedoch auch durch Giessen oder andere Herstellungsmethoden gewonnen werden. Als Ausgangsmaterial kann dann ausgewalztes oder gezogenes Metall verwendet wer den, wenn die inneren Durchflussleitungen nicht für Kühlmedien benötigt werden. Da der Querschnitt der Kühlorgane einheitlich ist, können mehrere solche Kühlorgane hintereinander angeordnet werden, wo mit ganze Anlagen geschaffen werden. Die Grösse der verschiedenen Kühlorgane kann dadurch den verschiedenen Grössen und damit den verschiedenen erzeugten Wärmemengen der verwendeten Gleich richterzellen angepasst werden, dass die Länge des Ausgangsmaterials für die Kühlorgane entsprechend gewählt wird.
Die Einheiten für unterschiedliche Grössen der Gleichrichterzellen unterscheiden sich infolgedessen nur durch ihre Längen.
Fernerhin können aus geeigneten natürlichen oder künstlichen Harzstoffen bestehende Zwischen wände zur Verbindung der Kühlorgane verwendet werden, die diese auch in Berührung mit den Kon taktflächen der zwischen ihnen liegenden Gl.eichrich- terzellen halten. Für diesen Zweck eignet sich Epoxin (eingetragene Marke) besonders gut, da es die notwendigen Eigenschaften wie ausgezeichnete Adhäsion zu Metallen, hohe dielektrische Festigkeit, geringe Absorptionsfähigkeit gegenüber Flüssigkeiten, geringe Schrumpfung und hohe Temperaturbeständig keit besitzt.
Die Gleichrichtereinheiten sind auf Grund ihrer Bauweise besonders zur Massenherstellung geeignet. Weiterhin ist die Gleichrichterzelle von der Bau- einheit vollkommen umschlossen und wird von bei den Seiten durch diese Bauteile gekühlt, die auch gleichzeitig einen mechanischen Schutz gegen die Erschütterungen und Stösse darstellen, denen die Gleichrichtereinheit während des Gebrauches beson ders als Teil einer übertragungseinrichtung ausgesetzt sein kann.
Die in Fig. 1 dargestellte Gleichrichtereinheit be steht aus einer Germaniumzelle mit einer grossflächi gen p-n-Grenzschicht 1 und einander gegenüber liegenden Kontaktflächen, die in gutem thermischem Kontakt mit den wärmeaufnehmenden Teilen 2 und 3 stehen. Diese wärmeaufnehmenden Teile bestehen aus einem Metall wie beispielsweise Kupfer oder aus Kupferlegierungen und grenzen direkt an die Kontaktflächen der Zelle, deren Elektroden sie auch bilden können.
Die Baueinheit der Gleichrichterzelle besteht weiterhin aus den Kühlorganen 4 und 5 mit einander gegenüberstehenden Seitenwänden, die über ihre ganze Länge durch eine zwischen ihnen liegende Schicht aus Isoliermaterial 6 verbunden sind. Dieses Isoliermaterial ist jedoch an den Stellen unterbrochen, an denen die Seitenwände in ther mischem Kontakt mit einer der einander gegenüber liegenden Kontaktflächen der Gleichrichterzelle oder mit den wärmeaufnehmenden Teilen stehen, die zwi schen der Zelle und den Kühlorganen angeordnet sind. Die Kühlorgane bestehen aus länglichem, kalt gepresstem Material und besitzen in Längsrichtung Durchflussleitungen für ein Kühlmedium, die sich bis zu den Enden dieser Kühlorgane erstrecken.
Die Durchflussleitungen der Kühlorgane für das Kühl medium werden durch Wände begrenzt, die in ther mischem Kontakt mit denjenigen Seitenwänden ste hen, die sich aussen in Wärmeaustausch entweder direkt mit den Kontaktflächen der Gleichrichter zelle oder mit den wärmeaufnehmenden Teilen be finden, die zwischen der Gleichrichterzelle und den Kühlorganen liegen. Die Kühlorgane bestehen vor zugsweise aus Metallen oder Legierungen, die die gewünschte Ziehfähigkeit besitzen. Sie können bei spielsweise aus Kupfer, Messing, Aluminium oder ähnlichen Metallen oder Legierungen hergestellt sein. Das aus isolierendem Material bestehende Bauteil zwischen den Kühlorganen umschliesst die Gleich richterzelle sowie das mit ihr verbundene wärme aufnehmende Teil.
Diese Isolation ist mit den Kon- taktseitenwänden der Kühlorgane verbunden, die sich an beiden Seiten der Gleichrichterzelle und des wärmeaufnehmenden Teiles befinden. Um die me chanische Festigkeit der Verbindung zwischen dem Isoliermaterial und der Kontaktfläche der Kühlteile zu verstärken, können Vorsprünge 7 vorgesehen werden, die in das Isoliermaterial hineinragen. Wenn die Kühlorgane stangengepresst sind, können sich diese Vorsprünge längs der Kühlorgane erstrecken, das heisst in gleicher Richtung wie die im inneren der Kühlteile vorgesehenen Durchflussleitungen.
Durch die Leitungen 8 und 9 werden elektrische Verbindungen mit der Gleichrichterzelle hergestellt, diese Leitungen sind mit den Kühlorganen 4 und 5 verbunden und werden an einander gegenüberliegen den Seiten der Kühlorgane nach aussen geführt. Die Leitungen bestehen dabei vorzugsweise aus flexiblem Material, so dass in ihnen keine mechanischen Kräfte auftreten können, die sonst über die Kühlorgane auf die zwischen ihnen befindliche Gleichrichterzelle ein wirken könnten. Für diesen Zweck eignen sich ge flochtene Kupferlitzen besonders gut.
Die an die Kühlorgane angeschlossenen Leitungsenden können durch Löten, Messinglöten, Schweissen oder ähnliche Mittel an ihnen befestigt sein, wodurch ein elek trischer Kontakt mit den einander gegenüberliegen den Kontaktflächen der Gleichrichterzelle über die ebenfalls aus Metall bestehenden Kühlorgane her gestellt wird.
Mehrere derartige Gleichrichtereinheiten können durch ein entsprechendes Hintereinanderanordnen der Durchflussleitungen des Kühlmediums der ein zelnen Kühlorgane so zusammengeschlossen werden, dass eine gemeinsame Durchflussleitung durch alle zusammengeschlossenen Baueinheiten entsteht, durch welche dann das unter Druck stehende-Kühlmedium geleitet wird. In der in Fig. 1 gezeigten Darstellung werden die einzelnen Einheiten durch Stangen 10 miteinander verbunden, die jedoch elektrisch von den einzelnen Kühlorganen isoliert sind, was durch die röhrenförmigen Isolatoren 11 erreicht wird.
Wei terhin sind auch die Kühlorgane untereinander durch Dichtungen 12 voneinander isoliert, wobei diese Dichtungen dazu dienen, dass das ,verwendete Kühl medium zwischen den aneinander anstossenden Gleichrichtereinheiten nicht nach aussen austreten kann. Auf diese Weise können die einzelnen Bau steine der Anordnung von Fig. 1 auf jede beliebige elektrische Art miteinander verbunden werden, wobei Kühlmedien wie Wasser, Öl oder ähnliche unter Druck stehende Kühlmittel in der Anordnung zir kulieren können. Die ganze Anordnung ist somit ab geschlossen und die Durchflussleitungen zwischen den Gleichrichtereinheiten sind bei geringem Auf wand wirksam abgedichtet.
Weiterhin ist die ganze Anordnung mechanisch völlig stabil, so dass sie aus reichend durch Lagerungen gestützt werden kann, die an den Enden der Anordnung oder an irgend welchen beliebigen Stellen angebracht sein können.
In Fig. 2 ist eine derartige Anordnung dargestellt, bei der neun Gleichrichtereinheiten 13 zwischen den Abschlussteilen 14 und 15 hintereinander auf gereiht sind, welche das Kühlmedium in die durch die einzelnen Einheiten gebildeten Durchflussleitun- gen einpumpen bzw. aus diesen absaugen. Ebenso wie bei Fig. 1 sind hier Dichtungen 16 zwischen den einzelnen Gleichrichtereinheiten und den Abschluss teilen vorgesehen. Jedes der Abschlussteile besitzt weiterhin eine Öffnung 17, durch welche das Kühl medium gepumpt bzw. abgesaugt wird.
Die gesamte Anordnung wird durch die Leisten 18 und 19 zu sammengehalten, die aus isolierendem Material her gestellt sein können und darüber hinaus auch als Befestigung für die Sammelleitungen 20 und 21 die nen können, durch welche die Enden der elektrischen Kontakte 22 und 23 der verschiedenen Gleichrichter einheiten auf irgendeine gewünschte Art miteinander verbunden werden können. In der gezeigten Darstel lung sind die Anschlusskontakte so mit den Sam- melleitungen verbunden, dass eine Parallelschaltung der einzelnen Gleichrichtereinheiten erreicht wird.
An den Enden der Anordnung sind Ständer 24 und 25 vorgesehen, die ebenso zur Befestigung der U förmigen Teile 26 und 27 dienen, welche ihrerseits mit den Leisten 18 und 19 verschraubt sind.
Die Kühlorgane können mehrere Ausführungs formen besitzen, die ihre Wärmespeicher- und Kühl eigenschaften wesentlich verbessern. Eine derartige verbesserte Ausführungsform ist in Fig. 3 dargestellt. Die inneren Wände, die die Durchflussleitungen für den Kühlteil 28 bilden, ragen von einer vergrösser ten Fläche radial nach aussen ab, wobei diese Fläche an der Stelle der Wand liegt, an der aussen die Gleichrichterzelle oder das wärmeaufnehmende Teil liegt.
Die in Fig. 3 gezeigte Anordnung ergibt eine bes sere Wärmeabflusseigenschaft als sie mit der in Fig. 1 gezeigten Anordnung erreicht werden kann.
Wenn bei einer bestimmten Anwendung ein ge schlossenes Kühlsystem nicht erwünscht ist, können die Kühlorgane nach aussen gerippt sein, um die Wärme in die umgebende Atmosphäre abzustrahlen. Diese Bauweise kann auch dann zur Anwendung gelangen, wenn durch natürliche Konvektion oder durch Gebläse eine Luftzirkulation aufrechterhalten werden kann. Bei der Anwendung von einem Kühl medium können Wärmeaustauscher zur Abkühlung des durch die Kühlorgane geflossenen Mediums ver wendet werden, so dass ein abgeschlossenes System besteht, in dem das gleiche Kühlmedium immer wie der verwendet wird. Weiterhin können die Kühl organe auch den Verdampfer einer Kältemaschine bilden.
Die Gleichrichtereinheiten müssen auch nicht wie in Fig. 2 gezeigt gradlinig angeordnet sein; wer den entsprechend - geformte Zwischenleitungen ver wendet, kann auch eine serpentinenartige oder eine zickzackförmige Anlage geschaffen werden, die durch die räumlichen Verhältnisse bedingt sein kann, unter denen die Anlage verwendet wird. Die einzelnen Einheiten können auch entweder so ausgebildet sein, dass sie in der Mitte oder am Ende einer Reihe ver wendet werden können, so dass Anlagen der verschie densten Form zusammenstellbar sind.
Die Kühlorgane müssen auch keineswegs unbe dingt aus Metall bestehen, da auch bestimmte Kunst stoffe für diesen Zweck brauchbar sind. Weiterhin kann das Isoliermaterial, das die Gleichrichterzelle umgibt, und die Kühlorgane in ihrer relativen Lage zueinander und in Wärmekontakt mit der Zelle oder dem wärmeaufnehmenden Teil hält, das zwischen der Zelle und den Kühlorganen angeordnet ist, aus irgendeiner Materialzusammensetzung bestehen, die durch Giessen, Spritzen oder andere Prozesse in Giess formen gebracht werden kann, in denen die Bauteile der Gleichrichtereinheit bereits in den gewünschten Lagen angeordnet sind, bevor das Isoliermaterial die Hohlräume ausfüllt.
In vielen Fällen kann es auch vorteilhaft sein, die Anschlussenden nicht wie in der Zeichnung dargestellt einzeln, sondern in einer An lage nur bei einer Einheit herauszuführen. Ferner können die Anschlussenden auch an anderen Stellen herausgeführt werden, als in den Zeichnungen darge stellt ist.
Die Erfindung ist nicht auf Gleichrichterzellen beschränkt, die eine p-n-Grenzschicht aufweisen, wie sie hier beschrieben wurde, es können vielmehr auch Gleichrichterzellen mit anderen Sperrschichten ver wendet werden. Beispiele hierfür sind Selen- und Kupferoxydzellen, die als Metallgleichrichter be kannt sind.