DE3609195A1 - Zwangsgekuehlter drahtwiderstand - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen zwangsgekühlten Drahtwiderstand, bei dem die Verlustsleistung mittels Siede- oder Flüssigkeitskühlung abgeführt wird.

Für die Kühlung der Halbleiterelemente von Stromrichtern werden oft Dosenkühlungen eingesetzt. Um dabei die Ver­ lustleistungen der Beschaltungswiderstände abführen zu können, werden unter anderem Widerstandsmodule an den Seitenflächen der Kühldosen angeordnet. Die Module be­ sitzen als thermische Kontaktfläche und zur elektrischen Isolation ein Keramiksubstrat, auf dem sich in Dünnfilm­ technik die entsprechenden Widerstände befinden. Der Temperaturgradient von der Widerstandsschicht zur Kühl­ dose respektive Flüssigkeit und somit dessen Tempera­ turniveau kann zwar gehalten werden, aber es gibt doch eine Leistungsbegrenzung, die von der Seitenflächengröße der Kühldose und der zulässigen Flächenbelastung des Wi­ derstandsmoduls abhängig ist.

Mit größer werdendem Schaltvermögen der Halbleiterele­ mente steigen die Widerstandsverluste so erheblich an, daß Module der vorstehenden Art überfordert sind.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Widerstandsbau­ art mit Zwangskühlung vorzuschlagen, bei dem mit kleinem Temperaturgradient größere Leistungen abgeführt werden können.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Widerstand aus einem elektrisch isolierenden zylindrischen Hohlkör­ per besteht, auf dessen Innenwand eine Widerstanddraht­ wicklung angeordnet ist und ein Kühlmedium das Innere durchfließt. Eine Seite des Zylinders kann verschlossen sein. Sie kann aber auch wie die zweite Seite mit einem offenen Kragen versehen sein. An beiden Seiten ist ein elektrischer Anschluß vorgesehen; auf der einen Seite an dem Kragen und auf der anderen Seite entweder am Kragen oder am Deckel. Der Kragen dient zum Anschluß einer hy­ draulischen Leitung für das Kühlmedium. Bei einseitigem Anschluß strömt das Kühlmedium in der Mitte nach unten und steigt an den Seiten nach oben und kühlt gleichzei­ tig die Drahtwindungen. Bei beidseitigem Anschluß durch­ strömt das Kühlmedium in einer Richtung das Innere des Widerstandes.

Die Widerstände dieser Art können besonders klein gebaut werden für den Einsatz bei Siedekühlung, da hierbei größere Wärmeübergangszahlen erreicht werden. So kann bei einem Widerstand mit einem Rohraußendurchmesser von 30 mm bei einer Länge von 100 mm eine Leistung von 1 Kilowatt mittels einer Siedeflüssigkeit, deren Siede­ temperatur 80°C beträgt, abgeführt werden. Vorausset­ zung ist natürlich, daß die Versorgung mit einem Konden­ sat sichergestellt ist. Mit einer Ölkühlung können bei dem gleichen Widerstand noch 200 Watt bei einer Öltempe­ ratur von 70°C abgeführt werden. Aufgrund der geringen thermischen Leitfähigkeit der Keramik und der kleinen Luft-Wärme-Übergangszahl und wegen einer nicht vorhande­ nen Zwangsbelüftung, wird nach außen nur ein verschwin­ dend kleiner Teil der Leistung abgegeben. Bezogen auf die maximale Umgebungstemperatur beträgt dieser Teil bei der siedegekühlten Ausführung bei einer abgeführten Lei­ stung von 1000 Watt nur ca. 5 Watt.

In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 Einen Widerstand für Siedekühlung mit einem sogenannten Parallelkühlkreislauf;

Fig. 2 eine Ansicht von oben auf den in Fig. 1 dar­ gestellten Widerstand und

Fig. 3 einen Widerstand für Durchlaufkühlung.

Der Träger für die Drahtwicklung ist ein Isolierrohr 1, in den Figuren als Keramikrohr angedeutet. Auf die Auß­ enwand 2 des Isolierrohres 1 sind an den Enden Metalli­ sierungen 3 aufgebracht. Die Innenwand 4 des Isolierroh­ res ist mit einem nicht dargestellten hochtemperaturfe­ sten Kleber oder Kitt 5 versehen, auf dem eine ein- oder mehrlagige Wicklung 6 aus Widerstandsdraht aufgebracht wird. Die Wicklung kann auf verschiedene Arten herge­ stellt und in das Rohr eingeführt werden.

Das Rohr kann, wie in der Fig. 1 dargestellt, mit einem Boden 9 verschlossen sein. Der Boden 9 wird mittels Lö­ tung 10 stoffschlüssig mit der Metallisierung 3 und so­ mit mit dem Keramikrohr 1 verbunden. Eine Bohrung 11 im Boden dient zum Einstecken des Wicklungsendes 7, welches mittels Lötung 12 galvanisch mit dem Deckel 9 verbunden wird. Für den externen elektrischen Anschluß ist der Deckel 9 mit einer Steckzunge 13 versehen, welche z.B. mittels Punktschweißung 14 an dem Deckel befestigt ist.

Der Deckel 15 des Rohres ist mit einem Kragen 16 verse­ hen. Die Verbindung mit dem Rohr 1 erfolgt wieder mit­ tels einer Lötung 17. Das zweite Wicklungsende 8 ist auf dem Deckel 15 durch eine Lötung 18 befestigt. Auch hier wird für den zweiten externen Anschluß eine Steckzunge 19, die am Deckel 15 mit Schweißpunkten 20 befestigt ist, vorgesehen.

Am Kragen 16 kann durch eine Lötung 21 eine hydraulisch pneumatische Leitung in Form eines Wellrohres 22 gas­ dicht angeschlossen sein. Sie führt normalerweise den aufsteigenden Dampf in Richtung des Pfeiles 23 ab, wäh­ rend das Kondensat entsprechend dem Pfeil 24 zufließt. Mit steigender Leistung kann der Fall eintreten, daß der aufsteigende Dampfstrom den Kondensatzulauf beeinträch­ tigt. Es ist dann zweckmäßig, einen separaten konzentri­ schen Kondensatzulauf 25 vorzusehen. Dieser kann unter Umständen bis in die Nähe des Bodens 9 reichen.

Zur Befestigung des Widerstandes ist eine Schelle 26 vorgesehen, die über ein Befestigungselement 27 den Kraftschluß zum Rohr 1 herstellt. Für die Befestigung selbst ist eine Bohrung 28 vorhanden.

Die Wicklung kann auf eine der nachfolgend beschriebenen vier Arten hergestellt und in das Rohr eingebracht wer­ den.

Erste Herstellungsart

Ein zur gegenseitigen Windungsisolation oxidierter Draht wird auf einen Dorn gewickelt. Dieser Dorn ist mit einer dünnen Folie aus Kunststoff, z.B. ein Polyamid, belegt. Nach Abschluß des Wickelvorganges und der provi­ sorischen Festlegung der Drahtenden, wird der Draht so­ weit erhitzt, z.B. durch einen Stromstoß, daß das Ther­ moplast schmilzt und daß nach dem Erstarren die einzel­ nen Windungen miteinander verbunden sind. Bei zwei oder mehrlagigen Wicklungen werden auch zwischen die einzel­ nen Lagen Folien eingelegt. Diese haben eine Dicke von ungefähr 50 µ. Nach dem Abziehen des Wickeldorn, der zwecks geringerer Reibung z.B. mit Teflon beschichtet und außerdem als Spreizdorn ausgebildet sein kann, liegt eine montagesteife Wicklung vor. Diese Wicklung wird in das Rohr eingeschoben und über einen Hochtemperaturkle­ ber oder Kitt wird die Wicklung zweckmäßig fixiert. Da­ nach werden Boden 9 und Deckel 15 aufgelegt und die Drahtenden angeschlossen. Als Befestigungsmöglichkeit des Widerstandes ist eine Schelle 26 oder dergleichen vorgesehen.

Zweite Herstellungsart

Der ebenfalls oxidierte Draht wird auf einen Spreizdorn gewickelt und in diesem Zustand in das mit Kleber oder Kitt versehene Rohr 1 eingeführt. Nach einer vom verwen­ deten Kleber abhängigen Abbindezeit wird der Dorn her­ ausgezogen, und, wie vorstehend beschrieben, werden Bo­ den 9 und Deckel 15 aufglegt und die Drahtenden ange­ schlossen.

Dritte Herstellungsart

Der oxidierte Draht wird auf einen Dorn aufgewickelt, der aus einem druckfesten Kunststoffschaum, z.B. aus Polyester besteht. Dieses Gebilde wird in das Rohr mit Kleber oder Kitt eingebracht und Boden 9 und Deckel 15 aufgelegt. Die Drahtenden müssen in Bohrungen von Boden und Deckel eingeführt werden. Da Boden und Deckel mit dem Isolierrohr, das in diesem Fall ein Keramikrohr mit metallisierten Enden sein soll, verbunden werden muß, ist eine Lötung erforderlich. Die Löttemperatur wird so gewählt, daß eine Pyrolyse des Wickeldorns auftritt, so daß der notwendige freie Raum im Innern der Wicklung entsteht.

Vierte Herstellungsart

Der oxidierte Draht wird auf die mit Kleber oder Kitt versehene Innenwand des Isolierrohres 1 direkt als Wick­ lung aufgelegt. Dies geschieht durch Wickelvorrichtun­ gen. In einem Fall rotiert das Isolierrohr und die Wickelführung entprechend dem Steigungsmast des Drahtes in axialer Richtung des Isolierrohres. Im anderen Fall steht das Rohr still und die Wickelführung rotiert zu­ sätzlich. Durch die Biegespannung des Drahtes legt er sich satt an die Rohrwand an.

Die Ausführung der Fig. 3 unterscheidet sich von der Fig. 1 dadurch, daß der Boden 9 durch einen Deckel 35 mit einem Kragen 36 ersetzt wurde. Es besteht jetzt ein Durchfluß durch den Widerstandskörper, der durch den Pfeil 29 angedeutet ist. Dieses Ausführung kann für eine Flüssigkeitskühlung, sie kann aber auch für Siedekühlung mit von unten zufließendem Kondensat und oben abströmen­ dem Dampf eingesetzt werden.

Claims (14)

1. Zwangsgekühlter Drahtwiderstand, bei dem die Verlustleistung mittels Siede- oder Flüssigkeitskühlung abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Wider­ stand aus einem elektrisch isolierenden, zylindrischen Hohlkörper (1) besteht, auf dessen Innenwand (4) eine Widerstandswicklung (6) angeordnet ist und ein Kühlme­ dium das Innere des Hohlkörpers durchfließt.

2. Zwangsgekühlter Drahtwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolierrohr (1) aus Ke­ ramik besteht und mit metallisierten Enden (3) versehen ist.

3. Zwangsgekühlter Drahtwiderstand nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Iso­ lierrohr (1) unten mit einem Boden (9), oben mit einem Deckel (15) versehen ist und Boden und Deckel die galva­ nische Verbindung zwischen den Wicklungsenden und den externen Anschlußzungen (13, 19) herstellen.

4. Zwangsgekühlter Drahtwiderstand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Iso­ lierrohr (1) mit zwei Deckeln (15) versehen ist und die Deckel die galvanische Verbindung zwischen den Wick­ lungsenden und den externen Anschlußzungen (13, 19) her­ stellen.

5. Zwangsgekühlter Drahtwiderstand nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem mit Thermoplastfolie belegten Dorn die Wicklung aufge­ bracht und erhitzt wird.

6. Zwangsgekühlter Drahtwiderstand nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehr­ lagigen Wicklungen zwischen den verschiedenen Wicklungen Thermoplastfolien vor dem Erwärmen eingelegt werden.

7. Zwangsgekühlter Drahtwiderstand nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die auf einem Spreizdorn gewickelte Wicklung in das mit Kleber oder Kitt versehene Isolierrohr (1) eingeführt und der Spreizdorn nach dem Abbinden des Klebers aus dem Rohr entfernt wird.

8. Zwangsgekühlter Drahtwiderstand nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Draht auf einen Dorn aus druckfestem Kunststoffschaum (Polyester) aufgewickelt und gemeinsam in das mit Kleber oder Kitt versehene Isolierrohr (1) eingebracht und durch Hitzent­ wicklung z.B. durch Löten der Wickelenden der Wickeldorn pyrolysiert wird.

9. Zwangsgekühlter Drahtwiderstand nach eimem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht mittels einer Wickelvorrichtung auf die mit Kleber oder Kitt versehene Innenwand des Isolierrohres (1) aufgelegt wird und der Draht sich infolge seiner Biegespannung an die Rohrwandung anlegt.

10. Zwangsgekühlter Drahtwiderstand nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß beim Wickeln das Isolier­ rohr (1) rotiert und die Wickelvorrichtung axial zu dem Isolierrohr entsprechend dem Steigungsmast der Wicklung verschoben wird.

11. Zwangsgekühlter Drahtwiderstand nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß beim Wickeln das Isolier­ rohr (1) stillsteht und der Wickelkopf sich dreht und gleichzeitig axial zu dem Isolierrohr entsprechend dem Steigungsmast der Wicklung verschoben wird.

12. Zwangsgekühlter Drahtwiderstand nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtwicklung durch adhäsive oder kohäsive Mittel an der Rohrwand fixiert wird.

13. Zwangsgekühlter Drahtwiderstand nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an die Kragen des oder der Deckel hydraulische oder pneumati­ sche Leitungen stoffschlüssig befestigt werden.

14. Zwangsgekühlter Drahtwiderstand nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine me­ chanische Befestigung mittels einer Schelle (16) vorge­ sehen ist.