DE587698C - Metalltrockengleichrichter - Google Patents

Description

Es gibt eine gewisse Art von Trockengleichrichtern, bei denen die eigentliche Gleichrichtersubstanz, meist ein Oxyd, Sulfid oder eine ähnliche Metallverbindung, in Form eines zu Scheiben gepreßten Pulvers zwischen zwei' verschiedenen Metallscheiben eingepreßt liegt. Ein solches Gleichrichterelement einfachster Art ähnelt also äußerlich bis zu einem gewissen Grad einem galvanischen EIement insofern, als zwischen zwei verschiedenen Metallelektroden sich als elektrisch leitendes Bindeglied eine Metallverbindung befindet. Der Unterschied gegenüber einem galvanischen Element' ist nur der, daß der Zwischenleiter im allgemeinen kein elektrolytischer Leiter ist, sondern ein Elektronenleiter. Letztere Eigenschaft ist sogar, und das ist der Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung, eine wesentliche Bedingung, um nicht nur einen guten Gleichrichtungseffekt zu erzielen, sondern um auch die erforderliche Haltbarkeit eines solchen Gleichrichters zu gewährleisten. Enthält nämlich der Zwischenleiter, den wir der Kürze halber im folgenden stets einfach als Masse bezeichnen wollen, auch nur geringe Mengen elektrolytisch leitender Substanzen, wie Salze, Säuren oder Basen, so tritt notwendigerweise mehr oder minder schnell eine Zersetzung des Gleichrichterelements ein, da es sich jetzt ja um ein wirkliches galvanisches Element handelt. Diese Zersetzung wird notwendigerweise während des Betriebs unter der Wirkung des elektrischen Stroms noch beschleunigt. Am geringsten ist noch diese Gefahr bei den Metalloxyden. Viel größer wird sie bei den Sulfiden, Jodiden und entsprechenden Metallverbindungen, da diese ihrem Wesen nach stark dazu neigen, in Gegenwart von Luftsauerstoff und Feuchtigkeit Säuren zu bilden. Zunächst einmal ist es also notwendig, von vornherein aus der Masse durch geeignete chemische Behandlung alle Stoffe zu entfernen, die eine derartige Bildung schädlicher Substanzen begünstigen, da die chemisch reine Substanz; im allgemeinen noch am wenigsten zur Bildung derartiger Stoffe neigt.

Der Erfinder hat jedoch festgestellt, daß ein einzelnes Verfahren zur Behandlung der Masse und insbesondere zur Entfernung der schädlich wirkenden Stoffe und ihrer ursprünglichen Produkte allein nicht ausreicht, um einen wirkungsvollen, hochbelasteten Gleichrichter von möglichst langer Lebensdauer zu erzielen. Die Erfindung beruht darauf, daß durch die kombinierte Verbindung¹ mehrerer, insbesondere dreier, verschiedenartiger Mittel sich sehr zuverlässige Gleichrichter herstellen lassen.

Das Gesagte soll an dem Beispiel des Cu₂ S erläutert werden. Dieser Stoff enthält entsprechend seiner Herstellungsweise von vornherein stets gewisse Mengen von metallischem Kupfer, freiem Schwefel, Kupferoxyden und Schwefelsäuren bzw. schwefelsauren Salzen. Man hat bereits vorgeschlagen, schwefelhaltige Verbindungen eines Gleichrichters dadurch zu reinigen, daß man den ungebundenen

Schwefel aus dem Sulfur auswusch und herauslöste. Diesem Vorschlag liegt offenbar die Annahme zugrunde, daß eine solche Behandlung bereits ausreichend sei zur Beseitigung der erwähnten Störungen. Demgegenüber hat der Erfinder festgestellt, daß dies nicht genügt, daß vielmehr gewisse Verbindungen, insbesondere auch gewisse Schwefelverbindungen, viel stärker zu Störungen ίο Anlaß geben können als der ungebundene Schwefel selbst, denn diese Verbindungen werden in erster Linie zu Säuren, die elektrolytische Nebenwirkungen hervorrufen können, umgesetzt, während der freie Schwefel als solcher nicht direkt zu Säuren umgesetzt wird. Erfindungsgemäß werden daher die Scheiben der halbleitenden Masse erstens einer solchen Behandlung unterzogen werden, daß die Bildung chemischer, den Gleichrichtereffekt störender Verbindungen des Gleichrichters, insbesondere die Bildung störender elektrolytischer Substanzen, nicht mehr ohne weiteres erfolgen kann. Diese Herauslösung störender Verbindungen des Halbleiters kann durch eine chemische Behandlung der Masse erfolgen, die an sich bekannt ist. .

Die Säuren und Salze können leicht durch einfaches Auswaschen mit reinem Wasser entfernt werden. Die Herauslösung des metallischen Kupfers und der Kupferoxyde läßt sich durch Auswaschen mit mittelstarken Säuren, die das Cu₂S selbst nicht angreifen, erzielen. Vorbedingung ist, daß das Material sehr fein pulverisiert ist, um auch eingeschlossene Verunreinigungen zu entfernen. Die Entfernung der Säuren und Salze ist aus den oben gesagten Gründen unbedingt notwendig. Die Entfernung der Kupferoxyde ist es einmal deswegen, weil sie sich leichter als das Cu₂ S in schwachen Säuren lösen, dann aber · auch deshalb, weil diese Substanzen unter Umständen durch katalytische Wirkung die Entstehung von Schwefelsäure begünstigen kann.

Während es, wie erwähnt, unzweckmäßig ist, den ungebundenen Schwefel allein aus der Masse herauszulösen, da andere Verunreinigungen stärker stören, kann es sich durchaus empfehlen, neben den anderen Verunreinigungen auch den ungebundenen Schwefel zu entfernen; dies ist durch Anwendung an sich bekannter Schwefel lösungsmittel, wie Schwefelkohlenstoff usw., möglich. Obwohl die vollständige Herauslösung aller Verbindungen zur Erreichung des erfindungsgemäßen Zwecks ausreichen könnte, da Schwefel im allgemeinen zu seiner Umsetzung in elektrolytische Substanzen bei nicht zu hoher Temperatur einer katalytisch wirkenden Substanz bedarf, liegt es trotzdem im Interesse eines sorgfältigen Arbeitens, auch den Schwefel zu entfernen, denn geringe verbleibende Spuren der , Verunreinigungen wurden, falls erhebliche Mengen Schwefel vorhanden sind, bereits imstande sein, diesen in elektrolytische Verbindüngen zu überführen. Derartige Spuren von Katalysatoren sind jedoch dann unwirksam, wenn auch der ungebundene Schwefel größtenteils herausgelöst wird.

Es wird praktisch nicht möglich sein, wenigstens nicht in der Massenfabrikation, die oben beschriebene Reinigung so exakt vorzunehmen, daß eine quantitative Entfernung der schädlichen Beimengungen erfolgt. Man muß vielmehr stets damit rechnen, daß in der Masse noch geringe Spuren von Säuren und Salzen usw. verbleiben. Man muß deshalb Sorge tragen, daß diese Beimengungen sich nicht störend auswirken können.

Zu diesem Zweck werden zweitens Zusätze in der Masse vorgesehen, welche eine Neubildung elektrolytischer Substanzen verhindern und evtl. vorhandene Reste von elektrolytischen Substanzen binden.

Das geschieht am einfachsten durch den Zusatz von Substanzen zur Masse, die säurebindende Eigenschaften haben, ohne selbst als elektrolytische Leiter eine nennens\verte Rolle spielen zu können. Ein Beispiel möge das Gesagte erläutern.: Setzt man dem Cu₂S kleine Mengen von Bariumcarbonat zu, das eine ganz minimale elektrolytische Dissoziation hat, so wird sich diese Substanz sofort mit evtl. sich bildenden Schwefelsäuren, die ja vorzugsweise in dem gewählten Beispiel in Frage kommen, zu Bariumsulfat und Kohlensäure verbinden. Beide Bildungsprodukte erfüllen die obenerwähnte Bedingung. Derartige Zusätze stören die Gleichrichterwirkung in keiner Weise, dienen vielmehr noch aoo nebenbei als Füll- und Festigungsmittel beim Pressen, vorausgesetzt, daß nur wenige Prozent zugesetzt werden.

Die im vorhergehenden geschilderten chemischen; Zusatzmittel gegen elektrolytische Zer-Setzungserscheinungen innerhalb des Gleichrichters genügen auch nicht unbedingt, um einen wirklich haltbaren Gleichrichter zu bauen. Es gibt nämlich noch zwei Erscheinungsgruppen physikalischer Natur, die die no Bildung von elektrolytisch wirkenden Zersetzungsprodukten fördern. Es handelt sich dabei um Dissoziationserscheinungen durch Temperaturerhöhung und unter der Wirkung einer elektrischen Glimm- oder Funkenentladung. Die größte Wärmeentwicklung im Gleichrichter entsteht an der Stelle des höchsten Widerstands, d. h. an der Grenzfläche zwischen Massescheibe und der einen Metallscheibe, z. B. der Magnesiummetallscheibe. Erreicht die Temperatur an dieser Grenzschicht eine gewisse Höhe,, so tritt notwendi-

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ger-vreise eine thermische Dissoziation ein mit ihren schädlichen Folgeerscheinungen. Besonders gefährlich ist eine solche Wirkung in der Nähe des Randes, wo Luftsauerstoff und Feuchtigkeit am leichtesten Zutritt haben. Zur Vermeidung dieser Nachteile wird drittens der Aufbau des Gesamtaggregats so ausgeführt, daß elektrische Sprüh- und Funkenerscheinungen und die thermische Dissozia- <o tion des Halbleiters verursachende Erscheinungen verhindert sind. Zu diesem Zweck muß der Gleichrichter so dimensioniert sein, daß bei maximaler Belastung die gefährliche Temperaturgrenze nicht überschritten wird. Diese Grenze liegt beim' Cu₂S etwa bei 300⁰. Andererseits darf die Dimensionierung auch nicht zu weit nach oben gehen, da speziell der Cu₂S-Gleichrichter seine günstigste Arbeitstemperatur etwa oberhalb von 120⁰ hat. Erfahrungsgemäß kann eine richtig gepreßte und behandelte Massescheibe aus Cu₂S mit etwa 4 bis 5 Amp. pro Quadratzentimeter belastet werden. Falls diese Bedingung innegehalten wird, ist die Gefahr einer überhitzung beseitigt. Ungleich schwerer zu vermeiden ist die gefährliche Wirkung elektrischer Sprüh- und Funkenbildung. Es liegt im Wesen einer aus kristallinem Pulver gepreßten Scheibe, daß sie stets einen wenn auch minimalen Grat enthält. Dieser Grat besteht aus verhältnismäßig lockerem Material, das leicht abbröckelt und im Ganzen die erwähnten elektrischen Erscheinungen begünstigt. Im Inneren des Gleichrichters treten diese elektrischen Entladungen nicht so leicht auf, wenn nur dafür gesorgt wird, daß die Scheiben gut plan und glatt sind. Außerdem ist der Rand noch deshalb besonders gefährlich, weil hier, der Luftsauerstoff freien Zutritt hat, und unter der Wirkung von elektrischen Entladungen die möglichen chemischen Reaktionen leicht eintreten können. Diese soeben geschilderte Gefahr nun läßt sich erfindungsgemäß durch folgende Formung der den Gleichrichter zusammensetzenden Teile vermeiden. Beide Metallscheiben, zwischen denen die Massescheibe eingepreßt liegt, werden nicht als plane Scheiben ausgebildet, sondern erhalten die Form eines Tellers mit flachem Rand. Die Vertiefung des Tellers ist so bemessen, daß sie etwas weniger beträgt als die halbe Dicke der Massescheibe, damit kein Kurzschluß zwischen den beiden Metalltellern eintreten kann. Die Massescheiben passen genau in die Vertiefungen der Teller hinein, so daß durch diese Konstruktion der Rand der Massescheiben vollkommen eingeschlossen ist. Die Sprüh- und Funkenerscheinungen treten nicht mehr auf, wobei natürlich vorausgesetzt wird, daß der Abstand der Tellerränder groß genug ist, um eine elektrische Entladung nicht entstehen zu lassen. Diese Bedingung ist leicht zu erfüllen, da die· an ein Gleichrichterelement der beschriebenen Art angelegte Spannung nur wenige Volt betragen darf. Durch diese physikalischen Maßnahmen der richtigen Dimensionierung und der richtigen Formung¹ der einzelnen Teile des Gleichrichterelements wird verhindert, daß sich innerhalb des Gleichrichters während des Betriebs Zersetzungsprodukte bilden, die als elektrolytische Leiter dienen könnten und dadurch eine Zerstörung des Gleichrichters herbeiführen würden.

Damit ist eine der Hauptursachen der manchmal nur geringen Lebensdauer von Gleichrichtern der beschriebenen Art besei- · tigt, denn es hat sich gezeigt, daß diese geringe Lebensdauer ihre Ursache nicht in der Natur der verwendeten Stoffe, sondern zum großen Teil in der falschen oder ungenügenden Behandlung des Materials sowie in der falschen Dimensionierung und Formung der einzelnen Teile' hat.

Claims (8)

1. 85 Patentansprüche:

   i. Metalltrockengleichrichter, bestehend aus metallischen Schichten und Scheiben . von elektrischen Halbleitern, wie Sulfur '90 u. dgl., dadurch gekennzeichnet, daß erstens die Scheiben der halbleitenden Masse einer chemischen Behandlung zur Beseitigung solcher als Verunreinigungen auftretender Verbindungen innerhalb der Masse unterworfen sind, die die Bildung chemischer, den Gleichrichtereffekt störender Verbindungen des Halbleiters, insbesondere die Bildung elektrolytischer Substanzen zur Folge haben, daß ferner Zusätze, z. B. solche mit säurebindenden Eigenschaften, welche eine Neubildung elektrolytischer Substanzen verhindern, in der Masse vorgesehen sind, und daß schließlich der Aufbau des Gesamtaggregats derart ausgeführt ist, daß elektrische Sprüh- und Funkenerscheinungen und die thermische Dissoziation des Halbleiters verursachende Erscheinungen verhindert sind.
2. 2. Metalltrockengleichrichter nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Reinigung des Halbleiters, insbesondere bei Verbindungen wie Metallsulfide, die Entfernung freier Säuren und Salze durch Auswaschen mit Wasser, die Entfernung von Metallen und Metalloxyden durch Auswaschen mit Säuren solcher Konzentration vornimmt, daß eine Lösung des rein zu erhaltenden Halbleiters nicht in nennenswertem Maße -eintritt.
3. 3. Metalltrockengleichrichter nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß außer dem übrigen Reinigungsvorgang Mengen an freien Anionen, die den elektronegativen Bestandteil des Halbleiters bilden, wie z.B. Schwefel, durch geeignete Lösungsmittel entfernt werden.
4. 4. Gleichrichter nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß dem Halbleiter säurebindende Stoffe zugesetzt' werden, die an sich keine merkliche elektrolytische Dissoziation besitzen und bei der Säurebindung auch keine derartigen Umsetzungsprodukte in dem Halbleiter zurücklassen.
5. 5. Gleichrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß säurebindende Stoffe mit gasförmigen Umsetzungspro-, dukten zugesetzt werden, beispielsweise Bariumcarbonat zwecks Bindung von Schwefelsäure.
6. 6. Gleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombelastung pro Ouadratzentimeter der Halbleiterseheiben so gewählt wird, daß die höchste innerhalb des Gleichrichters auftretende Temperatur unterhalb der Temperatur der beginnenden Dissoziation des verwendeten Halbleiters liegt und oberhalb der für die Arbeitsweise des Gleich- richters, insbesondere für seinen Wirkungsgrad günstigen Arbeitstemperatur.
7. 7. Gleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallscheiben, zwischen denen die meist aus gepreßtem oder gegossenem Material bestehende Halbleiterscheibe liegt, eine genau der Form der Halbleiterscheibe entsprechende Vertiefung besitzen, so daß die Halbleiterscheiben genau in diese Ver tiefungen hineinpassen, und daß die Vertiefung in jedem Fall geringer ist, als der halbem Dicke der Halbleiterscheibe entspricht, um eine Berührung der beiden korrespondierenden Metallscheiben zu verhindern.
8. 8. Gleichrichter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Karbonat oder die ähnlichen säurebindenden Stoffe in einer Menge von wenigen Prozent zugesetzt ist, zugleich als Füll- und Festigungsmittel beim Pressen.