DE3740252A1 - Drahtwiderstand hoher leistung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drahtwiderstand hoher Leistung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Drahtwiderstand hoher Leistung ist aus O. Zinke/H. Seither, "Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe", Springer-Verlag, Berlin, Heidel­ berg, NewYork, 1982, Seite 84 bis 86 bekannt.

Drahtwiderstände bestehen allgemein aus einem kerami­ schen Hohlzylinder, auf dem Widerstandsdraht augewickelt ist. Zu dessen Fixierung und Schutz ist vielfach eine Glasur oder eine Zementschicht aufgebracht. Es sind Grenztemperaturen von 400°C möglich, was bei Luftselbst­ kühlung eine Flächenbelastung von im Mittel 1,4 W/cm² entspricht.

Bei vielen elektrischen oder elektronischen Geräten - z.B. bei Stromrichtern - kann eine derartig hohe, von Drahtwiderständen ausgehende Temperaturbelastung jedoch nicht zugelassen werden, um eine Schädigung des unmit­ telbaren Umfeldes - z.B. elektronische Bauelemente - zu verhindern. Darüberhinaus ist die Lebensdauer solcher hochausgenutzten Widerständen nicht zufriedenstellend, insbesondere wenn die Leistung gepulst anfällt. Soll die Grenzleistung trotzdem erreicht oder sogar überschritten werden, ist Zwangsbelüftung notwendig, oder es müssen andere Maßnahmen ergriffen werden, um den Wärmeüber­ gangswert zu steigern.

Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrun­ de, einen Drahtwiderstand hoher Leistung der eingangs genannten Art anzugeben, der einen gesteigerten Wärme­ übergangswert ermöglicht.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß ein handelsüblicher, für Luftküh­ lung konzipierter Drahtwiderstand auch für die Flüssig­ keitskühlung eingesetzt wird, und zwar im Vergleich zur Luftkühlung mit gesteigertem Leistungsvermögen und abge­ senkter Temperatur. Es ist demnach keine Sonderkonstruk­ tion oder Spezialausführung eines Drahtwiderstandes spe­ ziell für Flüssigkeitskühlung notwendig, sondern ein preiswerter, marktgängiger Drahtwiderstand wird durch die zusätzlich anzubringenden Armaturen lediglich modi­ fiziert. Der flüssigkeitsgekühlte Drahtwiderstand kann insbesondere bei Stromrichtern mit flüssigkeits- oder siedegekühlten Halbleiterbauelementen eingesetzt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsform erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen flüssigkeitsgekühlten Drahtwiderstand in Seitenansicht, zum Teil geschnitten darge­ stellt,

Fig. 2 einen Ausschnitt der mit dem Drahtwiderstand zu verbindenden Armatur.

In Fig. 1 ist ein flüssigkeitsgekühlter Drahtwiderstand in Seitenansicht, zum Teil geschnitten, dargestellt. Es ist ein handelsüblicher, für Luftkühlung konzipierter und geeigneter Drahtwiderstand 1, bestehend aus einem Keramikrohr (Rundrohr) 2, mit Widerstandswicklung 3 aus Widerstandsdraht (ein- oder mehrlagig) vorgesehen. Die Wicklungsenden der Widerstandswicklung 3 sind an An­ schlußschellen 4, 4′ befestigt (z.B. angelötet oder an­ geklemmt). Die Anschlußschellen 4, 4′ weisen elektrische Anschlüsse 5, 5′ (z.B. Steckkontakte) zur Kontaktierung mit externen elektrischen Verbindungen auf. Die Wider­ standswicklung 3 und ggf. die Anschlußschellen 4, 4′ sind mit einem Überzug 6 (z.B. Lackschicht, Zement­ schicht, Glasurschicht) versehen.

Zur Verwendung eines derartigen, für Luftkühlung konzi­ pierten Drahtwiderstandes 1 für Flüssigkeitskühlung wer­ den in die Bohrung 7 im Keramikrohr 2 an beiden Stirn­ seiten 8, 8′ Armaturen 10, 10′ angebracht. Die Armaturen 10, 10′ an den Stirnseiten 8, 8′ sind gleichartig aufge­ baut und bestehen aus einem elektrisch gut isolierenden, hochtemperaturfesten Elastomer oder einem entsprechenden Thermoplast. Die Armaturen 10, 10′ müssen sowohl die elektrische Spannungsfestigkeit von der Widerstandswick­ lung zu den hydraulischen Anschlüssen (Metallrohre) wie auch zur Kühlflüssigkeit herstellen.

Die Armaturen 10, 10′ weisen einen zylinderförmigen Hauptkörper 11, 11′ mit angeformtem Stopfen 12, 12′ auf. Der Stopfen 12, 12′ ist mit hinterschnittenen, selbst­ sperrenden Dichtlippen 13, 13′ versehen, deren Außen­ durchmesser etwas größer als der Innendurchmesser der Bohrung 7 im Keramikrohr 2 ist, so daß sich die Dicht­ lippen 13, 13′ beim Einführen in das Keramikrohr 2 "satt" und abdichtend an dessen Innenwandung anlegen und gegen das Herausdrücken des Stopfens 12, 12′ infolge des im Inneren des Keramikrohres 2 herrschenden Flüssig­ keitsdruckes sperren. Der zylinderförmige Hauptkörper 11, 11′ weist desweiteren einen Bund 14, 14′ auf, der mit seiner Innenwandung 15, 15′ über die Stirnseiten 8, 8′ des Keramikrohres 2 greift und somit ebenfalls ab­ dichtend wirkt. Am Boden 16 des zylinderförmigen Haupt­ körpers 11, 11′ ist eine Kugel 17, 17′ angeformt. Im zylinderförmigen Hauptkörper 11, 11′ und im Stopfen 12, 12′ ist eine zum Keramikrohr 2 offene Bohrung 18, 18′ vorgesehen, in die eine in der Kugel 17, 17′ befindliche Bohrung 19, 19′ mit etwas kleinerem Durchmesser mündet.

An den zylinderförmigen Hauptkörper 11, 11′ ist im rech­ ten Winkel zur Zylinderachse (Hauptachse) ein Stutzen 20, 20′ angeformt. Der Stutzen 20, 20′ ist mit äußeren Kreisrippen 21, 21′ zur Kriechwegverlängerung sowie mit einer inneren Bohrung 22, 22′ versehen. Die Bohrung 22, 22′ steht in Verbindung mit der Bohrung 18, 18′ und dient zur Aufnahme eines hydraulischen Anschlusses, z.B. eines Rohres 23, 23′ (aus Metall) oder einer Schlauch­ tülle.

In der Bohrung 7 des Keramikrohres 2 befindet sich ein federharter Draht 25 mit jeweils verdickten Drahtenden 26, 26′. Der Außendurchmesser der Drahtenden 26, 26′ ist größer als der Innendurchmesser der Bohrungen 19, 19′. Die Drahtenden 26, 26′ weisen Rillen auf, z.B. ein Ge­ winde, das durch Aufrollen des Drahtes 25 hergestellt sein kann. Die nach außen gerichteten Enden der verdick­ ten Drahtenden 26, 26′ sind angespitzt. Bei montiertem, flüssigkeitsgekühltem Drahtwiderstand sind die verdick­ ten Drahtenden 26, 26′ in den Bohrungen 19, 19′ der Ku­ geln 17, 17′ fest verrastet. Dies dient zur Sicherung gegen das Herausdrücken des Stopfens 12, 12′ infolge des im Keramikrohr 2 herrschenden Flüssigkeitsdruckes.

Auf dem Draht 25 sind mehrere Turbulenzscheiben 27 ange­ bracht. Die Außendurchmesser der Turbulenzscheiben 27 sind kleiner als der Innendurchmesser der Bohrung 7 im Keramikrohr 2. Die Differenz zwischen beiden Durchmes­ sern richtet sich nach der Größe des Verwirbelungsgrades der Kühlflüssigkeitsströmung. Mit Hilfe der Turbulenz­ scheiben 27 wird der Wärmeübergangswert speziell bei geringer Strömungsgeschwindigkeit gesteigert.

Wenn die Anforderung besteht, daß möglichst wenig Wärme vom flüssigkeitsgekühlten Drahtwiderstand an die unmit­ telbare Umgebung über das Medium Luft abgegeben werden soll (durch Strahlung und Konvektion), so wird der Drahtwiderstand 1 mit einer Wärmeisolation 28 ummantelt. Diese Wärmeisolation 28 muß auch entsprechend elektrisch isolierend sein. Es können gebrauchsfertige Halbzeuge verwendet werden.

In Fig. 2 ist ein Ausschnitt der mit dem Drahtwiderstand zu verbindenden Armatur 10 dargestellt. Es sind der zy­ linderförmige Hauptkörper 11, der daran angeformte Stop­ fen 12, die selbstsperrenden Dichtlippen 13, der Bund

14, die Innenwandung 15 dieses Bundes und die Bohrung 18 in Stopfen und zylinderförmigen Hauptkörper zu erkennen.

Zur Montage des flüssigkeitsgekühlten Drahtwiderstandes wird der Draht 25 mit Turbulenzscheiben 27 in die Boh­ rung 7 des Keramikrohres 2 eingelegt. Anschließend kön­ nen die beiden Armaturen 10, 10′ auf die Stirnseiten 8, 8′ des Keramikrohres 2 aufgeschoben werden, wodurch sich die Stopfen 12, 12′ mit Dichtlippen 13, 13′ in die Boh­ rung 7 des Keramikrohres 2 einschieben, während die Stirnseiten 8, 8′ des Keramikrohres 2 selbst in die In­ nenwandungen 15, 15′ des Bundes 14, 14′ eingreifen. Gleichzeitig werden die verdickten Drahtenden 26, 26′ durch die Bohrungen 18, 18′ in die Bohrungen 19, 19′ der Kugeln 17, 17′ eingeschoben und dort verrastet, da die Bohrungen 19, 19′ im Durchmesser kleiner als die ver­ dickten Drahtenden 26, 26′ sind.

Zwischen dem Keramikrohr 2 und den Dichtlippen 13, 13′ sowie zwischen den Stirnseiten 8, 8′ des Keramikrohres 2 und dem Bund 14, 14′ mit Innenwandungen 15, 15′ kann zusätzlich eine Dichtungsmasse vorgesehen sein.

Um den Drahtwiderstand an einen externen Kühlmittel­ kreislauf anzuschließen, sind nur noch die Rohre 23, 23′ oder Schlauchtüllen in die Stutzen 20, 20′ einzuschie­ ben. Es ergibt sich ein Kühlflüssigkeitskreislauf vom Rohr 23 durch die Bohrungen 22 und 18 der Armatur 10, die Bohrung 7 des Keramikstutzens 2 und die Bohrungen 18′ und 22′ der Armatur 10′ in das Rohr 23′.

Als Kühlmittel wird vorzugsweise Wasser, ggf. mit Frost­ schutzmittel vermischt, eingesetzt. In jedem Fall ergibt sich eine hervorragende Wärmeabfuhr hauptsächlich über die mit Kühlflüssigkeit durchspülte Bohrung 7 des Kera­ mikrohres 2. Die Wärmeabfuhr über den Außenmantel des Keramikrohres 2 und die Widerstandswicklung 3 ist ledig­ lich von untergeordneter Bedeutung und entfällt bei Ein­ satz einer Wärmeisolation 28 fast völlig.

Bezogen auf die maximale Leistung des Drahtwiderstandes bei Luftselbstkühlung kann mit der beschriebenen Ausfüh­ rung des flüssigkeitsgekühlten Drahtwiderstandes der Temperaturhub auf etwa 15% gesenkt werden. Gleichzeitig kann die Leistung, bezogen auf ein Drittel der maximalen Oberflächentemperatur, mehr als verdoppelt werden. Läßt man zusätzlich Wärme über die Oberfläche abströmen (Wär­ meisolation 28 entfällt), dann steigt die Leistung auf etwa das Dreifache.

Claims (9)

1. Drahtwiderstand hoher Leistung, mit einem Kera­ mikrohr und darauf befindlicher Widerstandswicklung, dadurch gekennzeichnet, daß zur Flüssigkeitskühlung des Drahtwiderstandes (1) an beiden Stirnseiten (8, 8′) des Keramikrohres (2) elektrisch isolierende Armaturen (10, 10′) mit inneren Bohrungen (18, 18′, 22, 22′) und Stut­ zen (20, 20′) für den hydraulischen Anschluß an einen externen Kühlmittelkreislauf angebracht sind.

2. Drahtwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede Armatur (10, 10′) einen zylinderför­ migen Hauptkörper (11, 11′) mit angeformtem Stopfen (12, 12′) zur Einführung in die Bohrung (7) des Keramikrohres (2) aufweist.

3. Drahtwiderstand nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stopfen (12, 12′) mit mehreren selbst­ sperrenden Dichtlippen (13, 13′) versehen sind.

4. Drahtwiderstand nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zylinderförmige Hauptkörper (11, 11,) einen Bund (14, 14′) mit Innenwandung (15, 15′) zur Auf­ nahme der Stirnseite (8, 8′) des Keramikrohrs (2) auf­ weist.

5. Drahtwiderstand nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Stutzen (20, 20′) rechtwinklig zur Hauptachse des zylinderförmigen Hauptkörpers (11, 11′) an diesen angeformt und mit äußeren Kreisrippen (21, 21′) versehen ist.

6. Drahtwiderstand nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß am Boden (16, 16′) des zylinderförmigen Hauptkörpers (11, 11′) eine Kugel (17, 17′) mit innerer Bohrung (19, 19′) angeformt ist.

7. Drahtwiderstand nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Draht (25) durch die Bohrung (7) im Keramikrohr (2) verläuft und mit verdickten Drahtenden (26) in den inneren Bohrungen (19, 19′) der Kugel (17, 17′) verankert ist.

8. Drahtwiderstand nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß am Draht (25) mehrere Turbulenzscheiben (27) befestigt sind.

9. Drahtwiderstand nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandswicklung (3) mit einer Wärmeisolation (28) ummantelt ist.