DE1010186B - Halterung fuer Gleichrichterzellen - Google Patents

Halterung fuer Gleichrichterzellen

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DE1010186B
DE1010186B DEG18667A DEG0018667A DE1010186B DE 1010186 B DE1010186 B DE 1010186B DE G18667 A DEG18667 A DE G18667A DE G0018667 A DEG0018667 A DE G0018667A DE 1010186 B DE1010186 B DE 1010186B
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flat
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DEG18667A
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Paul John Colleran
Albert Charles English
Francis Patrick Mulski
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General Electric Co
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General Electric Co
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Description

Die Erfindung betrifft Halterungen für Gleichrichterzellen mit einander gegenüberliegenden Kontaktflächen und bezieht sich insbesondere auf eine Art der Halterung, bei der die Gleichrichterzelle eingeschlossen ist, um sie vor schädlichen Stoffen zu schützen, die in der Atmosphäre oder umgebenden Medien vorhanden sind.
Metallische Gleichrichter mit dünnen Sperrschichten, die bei verhältnismäßig hohen Spannungen arbeiten, werden durch Feuchtigkeitseinflüsse und andere Stoffe beeinträchtigt, denen sie bei der Lagerung oder beim Gebrauch ausgesetzt sein können. Die in der Atmosphäre ständig anwesende Feuchtigkeit ist einer der Einflußfaktoren, obwohl auch die Anwesenheit von anderen Stoffen der Umgebung, z. B. von Staub, korrodierenden Dämpfen, Schimmelpilzen und organischen Materialien, die als Kühlflüssigkeiten oder als Lösungsmittel für Vergußmassen benutzt werden, gleiche Bedeutung in ihrer Einwirkung auf die Zelle haben können.
Wenn Gleichrichterzellen in Gegenwart hoher Feuchtigkeit benutzt oder gelagert werden, können sie durch feuchtigkeitsbeständige Anstriche oder Lacke geschützt werden, die in bestimmten Anwendungsfällen auch gute Ergebnisse haben. Bei anderen An- wendungszwecken müssen die Gleichrichterzellen dadurch geschützt werden, daß sie in eine Flüssigkeit eingetaucht oder daß sie gekapselt oder in eine Vergußmasse eingeschlossen oder mit einer luftdicht versiegelten Hülle versehen werden.
Die Zellenhalterung sollte auch eine Ableitung der Verlustwärme in der Zelle ermöglichen. Eine Zelle mit einem im Verhältnis zu ihrer physikalischen Abmessung hohen Stromaufnahme hat eine so kleine Masse, daß die Verlustleistung ebenso schnell abgeführt werden muß, wie sie erzeugt wird, da sonst die Zelle überhitzt und eventuell zerstört wird. Die Zellenhalterung muß daher einen solchen Aufbau haben, daß die in Form von Wärme auftretende Verlustleistung an geeignete Aufnahmeelemente oder Ableitungselemente, die mit der Zelle zusammengebaut sind, abgegeben wird. Die Zellenhalterung muß ferner so ausgebildet sein, daß sie eine Herstellung ermöglicht, ohne daß an der Zelle Temperaturen auftreten, die zu einer Zerstörung führen. 4-5
Die oben beschriebenen Schwierigkeiten bestehen besonders bei monokristallinen Halbleitern mit p-n-Übergängen, die z. B. bei Germanium und Siliziumzellen auftreten. Eine Germaniumzelle von etwa 14,3 mm Durchmesser und mit einer Dicke von etwa 0,5 mm erzeugt eine Einweggleichrichtung bei 65 Volt und 75 Ampere mit einer Verlustleistung von etwa 60 Watt. Diese Verlustleistung muß ebenso schnell wie sie erzeugt wird auch abgeführt \verden, oder die Halterung für Gleichrichterzellen
Anmelder:
General Electric Company,
Schenectady, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter: Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M.-Eschersheim, Lichtenbergstr. 7
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 27. Dezember 1954
Paul John Colleran, Beverly, Mass.,
Albert Charles English, Lynn, Mass,,
und Francis Patrick Mulski, Salem, Mass. (V. St. A.),
sind als Erfinder genannt worden
Zelle wird überhitzt und zerstört. Die Zelle kann auch beschädigt werden, wenn sie bei der Herstellung der Halterung über eine kritische Temperatur hinaus erwärmt wird. Die sehr dünne Sperrschicht in einer Zelle, die mit Hochspannung betrieben wird, wird ferner durch einen hohen Feuchtigkeitsgehalt und durch die Anwesenheit von anderen schädlichen Einflüssen, denen sie unter Umständen ausgesetzt ist, ungünstig beeinflußt. Wenn nicht eine Oberflächenverunreinigung der Zelle an der p-n-Speirschicht verhindert wird, kann die Zelle in elektrischer Hinsicht versagen und zerstört werden.
Die vorliegende Anordnung besteht aus einer Zellenhalterung, die die Zelle vollständig einschließt, die luftdicht abgeschlossen ist und die einen konstruktiven Aufbau hat, der getrennt angefertigt werden kann und Anschlußleitungen aufnimmt, die als Stromleiter dienen, während sie gleichzeitig die in der Zelle durch den Stromfluß erzeugte Wärme abführen. Dies wird dadurch erreicht, daß die vorliegende Halterung für Gleichrichterzellen mit einander gegenüberliegenden Kontaktflächen gemäß der Erfindung aus einer metallischen Platte besteht mit einer in elektrisch leitender Berührung mit einer Kontaktfläche der Zelle stehenden und seitlich weiter ausdehnenden
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Fläche, aus einem metallischen Becher, dessen geschlossener Boden in elektrisch leitender Berührung mit der anderen Kontaktfläche der Zelle steht und dessen andere Seite eine radial sich erweiternde Öffnung hat, und ferner aus einem die Zelle umschließenden, mit einer öffnung versehenen Körper eines elektrisch isolierenden Materials mit scheibenförmigen Ansätzen besteht, von denen der eine radial nach innen verläuft, um eine Fassung zur Aufnahme des radial erweiterten becherförmigen Teils zur Herstellung einer festen Verbindung zu bilden, während der andere Ansatz radial nach außen ragt und in Verbindung mit der metallischen Platte steht. In der Zeichnung ist
Fig. 1 ein Querschnitt, der den Aufbau der Gleichrichterzellenhalterung zeigt;
P'ig. 2 und 3 sind ähnliche Schnitte, die die Zellenanordnung und die Anordnung der Gleichrichterhülle darstellen, die miteinander vereinigt werden, um die in Fig. 1 dargestellte Einheit zu bilden;
Fig. 4 ist eine Seitenansicht, die die Zellenhalterung in einer Anschlußvorrichtung darstellt, welche sowohl Anschlüsse für die Zelle in der Halterung als auch Mittel zu Ableitung der Wärme enthält, um die Betriebstemperatur auf einem zulässigen Wert zu halten.
Die Gleichrichterzellenanordnung enthält eine in einer Richtung leitende Zelle 1, die zwischen einer Metallscheibe 2 und einem metallischen Becher 3 mit zylindrischen Seitenwandungen eingespannt ist. Die eine Kontaktfläche der Zelle steht in elektrisch leitender Berührung mit einem mittleren Flächenteil der Scheibe 2, der eine Randfläche aufweist, welche sich um den mittleren Flächenteil ausdehnt und sich seitlich von der Zelle weg erstreckt. Die äußere abgeschlossene Stirnwand des Bechers 3 steht in elektrisch leitender Berührung mit der anderen Kontaktfläche der Zelle. Die Seitenwand des Bechers ist abgestuft, so daß ihr äußeres Ende eine vorbestimmte Normalgröße aufweisen kann, während das innere Ende eine Abmessung hat, die den Rand der Zelle 1 frei läßt. Die Scheibe und der Becher bilden Elektroden für die Zelle 1 und können mit ihr in beliebiger Weise je nach der Art der Zelle verbunden werden.
Die Zelle kann aus einem Germaniumplättchen hergestellt sein, das einen Durchmesser von etwa 14,3 mm und eine Dicke von etwa 0,5 mm aufweist. Die ge-'schlossene Stirnwand des Bechers ist mit Hilfe eines Indiumlötmittels an der einen Kontaktfläche desselben befestigt, während die andere Kontaktfläche mit dem mittleren Teil der Scheibe 2 mit Hilfe eines Arsen-Zinnlotes befestigt ist. Für die Scheibe und die becherförmige Elektrode kann ein beliebiges Metall verwendet werden, jedoch ist in dem Ausführungsbeispiel eine Legierung von 58% Eisen und 42% Nickel verwendet mit einer Dicke von etwa 0,3 mm. Der Legierungsvorgang wird in einem Ofen in Anwesenheit einer Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur in der Größenordnung von 450 bis 650° C ausgeführt. Vorzugsweise wird ein Germaniumplättchen mit η-Charakteristik verwendet. Während des Legierungs-Vorganges löst das Indium einen Teil des Germaniums auf, und beim Abkühlen wird ein p-n-Übergang in dem Plättchen in der Nähe der Oberflächenschicht des Indiums gebildet, das als Lötmittel wirkt, welches das geschlossene Ende des Bechers 3 mit der einen 6S Kontaktfläche des Germaniumplättchens verbindet. Die Seitenwandung des Bechers 3 ist abgestuft, so daß die Fläche seines geschlossenen Endes kleiner ist als die Kontaktfläche der Zelle, mit der sie in Berührung steht. Hierdurch bleibt der Rand der Zelle frei, und es ist möglich, die Ränder der Zelle nach dem Löten zu reinigen, um eine Verunreinigung der Oberfläche zu beseitigen und einen Kurzschluß des p-n-ubergangsgebietes der Zelle zu verhindern. Eine chemische oder elektrochemische Ätzung kann zu diesem Zweck verwendet werden. Eine elektrolytische Ätzung in einer Natrium- oder Kaliumhydroxydlösung oder ein Eintauchen in konzentrierte Salpetersäure ist z. B. anwandbar. Die Scheibe 2 ist mit dem Germaniumplättchen durch ein Arsen-Zinnlot verlötet, welches so ausgewählt ist, daß es dieser Kontaktfläche des Germaniumplättchens keine p-Eigenschaft verleiht.
Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung der Zellenhülle enthält einen Hohlzylinder aus keramischem Material 4, dessen gegenüberliegende Enden mit Silber metallisiert sind und mit metallischen Ringen 5 und 6 verbunden sind, die sich von den Wandungen des Zylinders, nach außen und innen erstrecken. Der nach außen ragende Ring 5 hat einen äußeren Durchmesser, der gleich dem Durchmesser der Scheibe 2 der Zellenanordnung ist, so daß, wenn diese zwei Anordnungen zusammengefügt werden, die äußeren Ränder sich gleich weit ausdehnen. Der nach innen ragende Ring 6 hat um die Öffnung herum einen sich in axialer Richtung erstreckenden zylindrischen Ansatz 7, dessen innerer Durchmesser gleich dem äußeren Durchmesser der Seitenwandung des Bechers 3 an seinem offenen Ende ist. Die Dicke des keramischen Teiles 4 und des Ringes 5 und 6 zusammen mit dem Ansatz 7 des Ringes 6 ist so gewählt, daß, wenn der Ring 5 auf die Scheibe 2 gelegt wird, der äußere Rand des Ansatzes 7 und der äußere Rand der Wandung des Bechers 3 die gleiche Ausdehnung zueinander haben. Der hohle keramische Zylinder 4 kann aus geschmolzener Tonerde hergestellt sein, die für Gase und Flüssigkeiten undurchlässig ist, und die Ringe 5 und 6 können eine Dicke von etwa 0,37 mm aufweisen und aus einer Legierung mit 54% Eisen, 29% Nickel und 17% Kobalt angefertigt sein. Der Zusammenbau dieser Teile zu einer einheitlichen Vorrichtung wird durch Hartlöten in einem Ofen bei ungefähr 900° C vorgenommen, wobei Silber als Verbindungsmetall zwischen den Ringen 5 und 6 und der silberüberzogenen Endfläche des Zylinders 4 dient.
Die vorbereiteten Anordnungen der Fig. 2 und 3 werden, wie aus Fig. 1 ersichtlich, zusammengebaut, und die gleich langen äußeren Ränder des Ringes 5 und des Ansatzes 7 der Anordnung nach Fig. 3 werden mit den äußeren Rändern der Scheibe 2 und des Bechers 3 der Anordnung nach Fig. 2 vereinigt. Die Verbindung zwischen diesen Rändern kann durch Schweißnähte 8 und 9 erfolgen, die vorzugsweise in einer Schutzgaslichtbogenschweißung erzeugt werden, bei der ein Lichtbogen zwischen den Teilen der Naht und einer Wolframelektrode erzeugt wird, während gleichzeitig der Lichtbogen und geschmolzene Teile des Schweißmetalls mit einer Schutzgasatmosphäre, z. B. Argon, Helium oder einer Mischung dieser Gase, abgeschirmt sind. Argon ist ein geeignetes Schutzgas, um einen Lichtbogen niedrigen Stromes zu erzeugen, dessen Energie ausreicht, um durch örtliche Erwärmung die Perlen des Schweißmetalls 8 und 9 zu erzeugen, ohne daß ein Wärmeübergang durch die Teile hindurch zur Zelle 1 stattfindet, der ausreicht, die Zelle zu beschädigen. Wenn eine Germaniumzelle in der oben beschriebenen Art erzeugt worden ist, kann sie nicht bis auf oder über 156° C erhitzt werden, wenn nicht die Gefahr einer Zerstörung der Zelle durch Schmelzen des in ihr verwendeten Indiumlötmittels befürchtet werden muß.
Infolge der Verwendung der Schutzgasschweißung ist es nicht notwendig, ein Flußmittel an der Verbindungsstelle zu benutzen, und es besteht daher keine Möglichkeit einer Verunreinigung des Innenraumes der Zellenhalterung, die bei Verwendung eines Flußmittels auftreten könnte. Außerdem wird ein Teil des Schutzargongases in das umschlossene Innere der Zellenhalterung eingeführt und verringert daher den Sauerstoffgehalt der Gasmischung, die mit der Zelle in Verbindung steht. Außerdem findet während der Schutzgasschweißung keine Bildung von Wasserdampf statt, und wenn wirklich eine kleine Menge von Wasserdampf in der Luftmischung in die Zellenhalterung eingeschlossen wird, so reicht sie nicht aus, um eine Beschädigung der Zelle herbeizuführen.
Die in Fig. 1 dargestellte vollständige Zellenhalterung 10 kann in verschiedener Weise verwendet werden, wobei eine Art der Anwendung in Fig. 4 dargestellt ist. Die dort gezeigte Scheibe 2 ist an den Körper 11 einer Klemme 12 angelötet, und die Innenfläche des geschlossenen Bodens des Bechers 3 ist mit dem Ende einer zylindrischen Klemme 13 verlötet, die an dem einen Ende eines biegsamen geflochtenen Leiters 14 angebracht ist, dessen anderes Ende eine Klemme 15 aufweist, die mit einer Klemme 16 verlötet ist. Die Lötösen 12 und 16 sind ein Teil einer Anschlußleiste, die dadurch hergestellt ist, daß die Ränder der Klemme 16 an den Körper 11 der Klemme
12 mit Hilfe von Schrauben 17 befestigt sind. Streifen aus Isoliermaterial 18 sind zwischen den sich überdeckenden Teilen der Klemmen angeordnet, die parallel zueinander gehalten werden, so daß eine mechanische Abschirmung für die Gleichrichterzellenhalterung 10 entsteht. Der Körper 11 der Klemme 12 ist auf der Seite, die der Gleichrichterzelle gegenüberliegt, mit einer Anzahl von wärmeabstrahlenden Rippen 19 versehen, die gegeneinander und gegenüber dem Körper der Klemme 12 durch Schrauben 20 in Stellung gehalten werden. Der Körper 11 der Anschlußklemme 12 ist auf der dieser Klemme gegenüberliegenden Seite mit einem steifen Teil 21 versehen, der in derselben Richtung verläuft wie die Rippen 19 und als Abschirmung und Puffer für die Rippen dient, die aus einem verhältnismäßig dünnen Blech hergestellt sein können. Es bei bemerkt, daß die Klemme 16 gegenüber dem Ansatz 21 des Körpers 11 der Klemme 12 versetzt ist. Infolgedessen kann die Klemme 12 eines anderen Anschlußstreifens mit der Klemme 16 ver-schraubt werden, ohne daß die Klemmen eines der Streifen kurzgeschlossen werden.
Die Befestigungsstellen des Bechers und der Scheibe der Zellenhalterung an dem Körper 11 der Anschlußklemme 12 und an dem Endteil der Klemme
13 können mit Hilfe eines Lotes hergestellt werden, das einen Schmelzpunkt von etwa 103° C aufweist und 53,9% Wismut, 29,6% Zinn und 24,5% Kadmium aufweist. Die miteinander zu verbindenden Oberflächen sind mit diesem Lot vorverzinnt und werden in einem Ofen bei ungefähr 130° C vereinigt, wobei ein saures Flußmittel benutzt wird, um eine Vereinigung der Teile durch ein Zusammenfließen des Lotes auf den Teilen zu erleichtern.
Die einzelnen Teile können daher getrennt bei Temperaturen hergestellt werden, die für die Gleichrichterzelle schädlich wären, und können dann unter Bedingungen vereinigt werden, die infolge des Aufbaues dieser Teile durch Schweißen verbunden werden können, ohne daß der Zelle eine gefährliche Wärmemenge zugeführt zu werden braucht. Die Anordnung bildet ferner einen hermetischen Abschluß der Zelle und schließt alle schädlichen Stoffe in der Atmosphäre oder in irgendeinem umgebenden Medium von der Zelle aus.
Die Erfindung ist nicht auf die Halterung von monokristallinen Halbleiterzellen der oben beschriebenen Art beschränkt, sondern kann auch zur Halterung von anderen Arten von Gleichrichterzellen, ζ. Β. Kupferoxyd- oder Seleniumzellen, verwendet werden. Ferner braucht bei bestimmten Anwendungen der Zusammenbau der Teile nicht in der oben beschriebenen Weise zu erfolgen. Anstatt die Abdichtungsverbindungen durch Lichtbogenschweißung herzustellen, können auch andere Schweißverfahren benutzt werden, vorausgesetzt, daß die Erwärmung so weit lokalisiert ist, daß die Zelle nicht beschädigt wird. Ferner können Widerstandsschweißverfahren verwendet werden; eine Warzenpunktschweißung kann benutzt werden, um die Scheibe 2 an dem Ring 5 zu befestigen, und eine Linienschweißung kann benutzt werden, um die offene Seite des Bechers 3 mit dem Ansatz 7 des Ringes 6 zu vereinigen. Um diesen letzteren Vorgang zu erleichtern, kann die Überlappung der Teile 3 und 6 größer gemacht werden, als es in der Zeichnung dargestellt ist. Anstatt die Anordnungen miteinander zu verschweißen, kann die Vereinigung der Teile auch in anderer AVeise, z. B. durch Löten oder plastisches Kitten, vorgenommen werden. Ferner braucht das Material, aus dem die Teile der Anordnungen hergestellt sind, nicht die spezielle beschriebene Legierung zu sein. Unter bestimmten Umständen können die metallischen Teile der Zellenhalterung aus irgendeinem geeigneten Metall oder einer Legierung hergestellt sein, wobei Kupfer und seine Legierungen infolge ihrer guten elektrischen und Wärmeleiteigenschaften besonders zweckmäßig in dieser Beziehung sind. Die nach außen und innen ragenden Teile, die, wie oben beschrieben, aus Metall geformt und mit den Enden des hohlen zylindrischen Isolierteils vereinigt sind, können auch mit diesem hohlen Isolierteil aus einem Stück bestehen und aus dem gleichen Material wie dieser hergestellt sein.

Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE:
1. Halterung für Gleichrichterzellen mit einander gegenüberliegenden Kontaktflächen, gekennzeichnet durch eine metallische Platte mit einer in elektrisch leitender Berührung mit einer Kontaktfläche der Zelle stehenden und sich seitlich weiter ausdehnenden Fläche, durch einen metallischen Becher, dessen geschlossener Boden in elektrisch leitender Berührung mit der anderen Kontaktfläche der Zelle steht und dessen andere Seite eine radial sich erweiternde öffnung hat, ferner durch einen die Zelle umschließenden, mit einer öffnung versehenen Körper aus elektrisch isolierendem Material mit scheibenförmigen Ansätzen, von denen der eine radial nach innen verläuft, um eine Fassung zur Aufnahme des radial erweiterten becherförmigen Teiles zur Herstellung einer festen Verbindung zu bilden, während der andere Ansatz radial nach außen ragt und in Verbindung mit der metallischen Platte steht.
2. Halterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Zelle umschließende, mit einer öffnung versehene Teil aus keramischem Material besteht, während die Ansätze aus Metall bestehen und mit den gegenüberliegenden Seiten des keramischen Zylinders verschmolzen sind.
3. Halterung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Zelle umschließende Körper
aus einem undurchlässigen keramischen Material metallisierte Endflächen aufweist und daß die Ansätze eine metallische Randplatte sowie eine metallische Abschlußplatte enthalten, die mit den metallisierten Endflächen fest und dicht verbunden sind, wobei die Randplatte radial nach innen ragt und einen Zylinder bildet, der den radial erweiterten becherförmigen Teil aufnimmt.
4. Halterung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine zusammenhängende Schweißung zwischen den einander überlappenden Teilen der Randplatte und der metallischen Platte und durch eine zusammenhängende Schweißung zwischen den sich berührenden Teilen der Abschlußplatte und des metallischen Bechers.
5. Halterung nach Anspruch 4, dadurch gekenn-
zeichnet, daß die zusammenhängenden Schweißnähte Schmelzschweißnähte sind.
6. Halterung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle eine flache Form mit ebenen Kontaktflächen aufweist, wobei die Metallplatte und das geschlossene Ende des Metallbechers ebene Flächen aufweisen, die mit den ebenen Zellenkontaktflächen im Eingriff stehen, und wobei der Ansatz, der radial aus dein mit einer Öffnung versehenen Körper herausragt, eben ist und den Randteil der Metallplatte in durchgehender Berührung überlappt, und daß der die Zelle aufnehmende Körper zylindrisch ausgebildet ist und die Ansätze Teile haben, die mit den Endteilen des Zylinders gleiche Ausdehnung besitzen und mit ihnen verschweißt sind.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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