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Von einer strömenden Kühlflüssigkeit unmittelbar bespülter hochbelastbarer
elektrischer Widerstand Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Widerstand
und hat den Zweck, die Belastbarkeit des Widerstandes unter Verwendung einfacher
Mittel über die bisher erreichten Grenzen zu steigern.
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Es ist bekannt, die im Widerstand entwickelte Stromwärme durch strömende
Kühlflüssigkeit abzuführen. Schon dadurch ist ein erheblicher Fortschritt gegenüber
der noch im großen Umfang gebrauchten Wärmeableitung durch die Kühlwirkung der umgebenden
Luft erzielt worden, also gegenüber Widerständen, die für große Wattleistungen platzraubend
und unhandlich waren. Aber auch bei den durch Flüssigkeit gekühlten elektrischen
Widerständen, die bereits eine erheblich höhere Belastung als die luftgekühlten
Widerstände aushalten, ist man über gewisse Grenzen nicht hinausgekommen, da sich
der praktischen Ausführung solcher flüssigkeitsgekühlten hochbelasteten elektrischen
Widerstände erhebliche Schwierigkeiten in den Weg stellten. Diese Schwierigkeiten
lagen in der Notwendigkeit, die zur Wärmeabführung erforderlichen Maßnahmen in Grenzen
zu halten, die die Wirtschaftlichkeit der Anlage nicht gefährdeten, eine Bedingung,
die z. B. nicht Beie Kühlvorrichtungen erfüllt ist, bei denen komplizierte Kühlanlagen
erforderlich sind, um die auf Grund der entstandenen Ternperaturdifferenzen in Strömung
versetzte Flüssigkeit abgeführte Wärme unschädlich zu machen. Geht man von dieser
komplizierten mittelbaren zur unmittelbaren Kühlung der Widerstandselemente durch
strömende Flüssigkeit Über, so entstehen -weitere Schwierigkeiten hinsichtlich der
Beherrschung der Wärmeübergangsvorgänge an der Grenze Widerstandskörper/Kühlflüssigkeit.
Um dem Widerstandskörper eine hohe Lebensdauer zu geben und unerwünschte Nebenreaktionen,
wie Oxydations- und elektrolytische Vorgänge, zu vermeiden, hat man vorgeschlagen,
Widerstandsspiralen in Schamotte, Glasröhren oder in ölgefäße einzubietten. Der
Wirkungsgrad dieser Geräte leidet jedoch unter den ungünstigen Wärmeübergangsverhältnissen,
bei denen die im Widerstand entstehende Stromwärme erst durch das Einbettungsmaterial
hindurch in die Kühlflüssigkeit gelangen kann. Um diesem Mangel abzuhelfen, hatt
man auch schon vorgeschlagen, dem Widerstandskörper die Stromwärtne durch unmittelbare
Berieselung mit der Kühlflüssigkeit, vornehmlich 01, zu entziehen und diesen
Vorgang dadurch besonders wirksam zu machen, daß man der Kühlflüssigkeit Gelegenheit
zur Verdunstung gab, so daß ein erheblicher Teil der abzuführenden Stromwärme in
Form der Verdunstungswärme unschädlich gemacht wurde. Eine solche Anordnung kann
jedoch auch nur bis zu einer gewissen Grenze strombelastet werden, da bei der durch
die vorgesehene Verdunstung bedingten Gefahr der Blasenbildung das verwendete metallische
Widerstandsmaterial
leicht durchschmilzt. Denn sobald sich an einer Stelle eine Blase bildet, steht
dort dem Leiter nicht mehr eine Flüssigkeit mit hohem Wärmeaufnahmever-:', mögen
gegenüber, sondern ein Gas. DieselbJA, Gefahr besteht bei einer weiteren bekannteuo,
Kühlanordnung, bei der gewellte Metalf'#-bänder in der Weise durch ein Kühlmedium
gekühlt werden, daß das Metallband in einem Kanal eines Isolierkörpers derart eingebettet
ist, daß das Kühlmedium, vorzugsweise Öl,
zwangsweise zwischen den Durchlaßkanäle
bildenden Bandwellen hindurchgepreßt wird. Abgesehen von der verhältnismäßig umständliehen
Anordnung eines solchen -ewellten Widerstandsbandes in einem kompliziert -eformten
Isolierkörperkanal besteht gerade bei dieser Anordnung, bei der das Kühlmedium nicht
frei an dem Widerstandskörper vorbeifließen kann, sondern sich durch enge Durchflußkanäle
hindurchzwängen muß, die Gefahr, daß es infolge der dabei -unvermeidlich starken
Wirbelbildung zu örtlichen Überhitzungen kommt, die bei entsprechend hoher Strombelastung
dann sofort zur Gasbildung und zum Durchschmelzen an der betreffenden Stelle führen.
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Um eine von den Mängeln der bisher ver-##endeten Einrichtungen freie
Anordnung zu schaffen, die gleichzeitig in bezug auf Herstellung, Wartung und Betriebskosten
ein Mindestmaß an Aufwand erfordert, mußten nun, wie gefunden wurde, eine Reihe
von Bedingungen eingehalten werden, die ein Höchstmaß an Leistungsfähigkeit und
Wirtschaftlichkeit des Gerätes gewährleisten: Zunächst muß ein Kühlmedium möglichst
hoher Wärmekapazität verwendet werden. Zu diesem Zweck wird an Stelle des bisher
meist aus Gründen der elektrischen und chemischen Indifferenz verwendeten öles Wasser
als Kühlmedium benutzt, und es hat sich herausgestellt, daß bei geeignetem Aufbau
der
Ap-
paratur damit keinerlei Gefährdung des ordnungsmäßigen Arbeitens verbunden
ist. Ferner ist wesentlich, daß an der Grenze elektrischer Widerstandskörper/Kühlflüssigkeit
der Wärmeübergang möglichst ungehindert vor sich geht. Zu diesem Zweck wird das
elektrische Widerstandsmaterial unmittelbar von dem Kühlwasser umspült. Damit dieser
unmittelbare Wärmeübergang auch bei längerer Betriebsdauer und unter allen Betriebsbedingungen
erhalten bleibt, muß der nackte, vom Kühlwasser umspülteWiderstandskörper aus korrosions-
und elektrolysenfestem Werkstoff bestehen. Ferner muß das Auftreten aller Wärme-
und Flüssigkeitsstauungen vermieden werden. Zu diesem Zweck muß das Kühlwasser,
möglichst ungehindert, frei strömend, an dem Widerstandskörper entlang fließen und
ihn dabei möglichst von allen Seiten umspülen. Schließlich muß vermieden werden,
daß eine oder mehrere der vorstehend #,gngegebenen Bedingungen während des Be-
| & l# # |
| j#bes geändert werden. Insbesondere muß |
| fi,Vem Auftreten von Wärmestauungen vor- |
| ,#,#Ae#ugt werden. So ist es bei Verwendung |
eines metallischen Widerstandskörpers, z. B. einer dünnen Platinspirale, sehr wichtig,
daß niemals während des Betriebes an irgendeiner Stelle der Oberfläche der reine
Kontakt Metall/Wasser unterbrochen wird, beispielsweise durch Auftreten einer Luft-
oder Dampfblase. In diesem Falle würde bei den hohen Belastungen, für die das Gerät
bestimmt ist, ein augenblickliches Durchschmelzen an dieser Stelle stattfinden,
weil dort die Wärmeableitung, wenn auch nur für ganz kurze Zeit, gestört wäre.
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Aus diesem Grunde ist es nötig, den Kühlwasserstrom vor dem Eintritt
in das den metallischen Widerstandskörper enthaltende Kühlgefäß in einem Blasenfänger
von etwa mitgerissenen Gasblasen zu befr'eien. Eine andere möglichkeit zur Vermeidung
unerwünschter Wärmestauungen bei Auftreten von Gasblasen, die entweder in dem Wasser
mitgerissen sind oder die durch Erwärmen des Wassers entstehen oder die schließlich
durch elektrolytische Prozesse hervorgerufen werden können, besteht in der Verwendung
eines Halbleiters, d. h. eines Werkstoffes mit negativer Charakteristik,
z. B. Kehlefaden, für den Widerstandskörper. Weitere Einzelheiten ergeben sich aus
der folgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele für einen hochbelastbaren
elektrischen Widerstand nach der Erfindung, die in der Zeichnung veranschaulicht
sind. In dieser stellt dar: Fig. i die auf einem Montagebrett be# festigte Gesamtanordnung
eines mit Blasenfänger ausgerüsteten Widerstandsgerätes zum Anschluß an jede Wasserleitung
und Fig. 2 den Oberteil des eigentlichen Kühlgefäßes in einer besonderen Ausführungsform
für die Stromzuführung.
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In einem weiten Glasrohr i befindet sich der Widerstandskörper 2,
der in Form eines Platinbandes von i mm Breite, 0,035 mm Dicke und 4 in Länge
auf einem Träger 3 aus Glas oder Ouarz schraubenförmig aufgewickelt ist.
Ein derartiges Platinband enthält etwa 3 g Platin.
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Der Widerstandsträger 3 ist in der Zeichnung nur schematisch
angedeutet. Es handelt sich dabei nicht etwa. um einen Spulenkörper, auf den der
Widerstandsdraht fest aufgewickelt ist, sondern nur um ein aus geeignetem.Werkstoff
bestehendes Gerüst, das das möglichst frei liegende Widerstandsband, das
auch
aus nichtrostendem Stall bestehen könnte, in dem Kühlrohr zentriert. Damit der Träger
dem durchströmenden Kühlwasser wenig Widerstand bietet und ein vollständiges Umspülen
des elektrischen Widerstandskörpers durch das Wasser ermöglicht, wird er vorzugsweise
ohne Zuhilfenahme seitlicher Stützen o. dgl. nur durch die dickeren - Anschlußdrähte
an den Enden des Widerstandsbandes frei in dem Kühlrohr gehalten. Auf diese Weise
wird die Wirbelbildung und damit die Möglichkeit zum Auftreten unerwünschter Wärmestauungen
weitgehend verhindert.
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- Das Wasser wird durch ein Zuleitungsrohr 9 dem unteren
Teil des Kühlrohrs zugeführt und fließt durch ein oder mehrere Abflußrohre io, ii
ab. Das Zuleitungsrohr 9
ist unter Zwischenschaltung eines Blasenfängers 12,
in den das Wasser aus dem Einlaßstutzen 13 eintritt und sich innerhalb des Gefäßes
12 von den mitgerissenen Luftblasen trennt, an die Wasserleitung angeschlossen.
je nach den Strömungsverhältnissen wird die Gestalt und Größe des Blasenfängers
gewählt. Wenn der verhältnismäßig kleine Blasenfänger, wie er in derZeichnungdargestelltist,
e ZD nicht ausreicht, so kann ein etwas längerer Körper 12 benutzt werden, beispielsweise
mit einer Zylinderhöhe von 15 bis 2o cm. Der Blasenfänger besitzt oben ein
Schwimmerventil 14, an das sich ein Überlaufröhrchen 15 anschließt. Wenn keine Luft
vorhanden ist, so ist der ganze Körper mit Wasser gefüllt, und das Schwimmerventil
ist nach oben gegen die Öffnung des Überlaufröhrchens gedrückt und verschließt diese.
Wenn sich im oberen Teil des Blasenfängers Luftblasen sammeln, so fällt der Ventilkörper
herab, und die Luft kann entweichen. Unter Umständen kann das Schwimmerventil auch
ganz ausgelassen werden, und es wird genügen, am oberen Teil des Blasenfängergefäßes
ein dünnes Röhrchen 15 abzuzweigen, durch das die sich oben ansammelnde Luft zusammen
mit etwas Wasser heraustreten wird.
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Ob ein Gasblasenfänger überhaupt notwendig ist, entscheidet
sich nach den jeweiligen Arbeitsbedingungen. Im Interesse der Betriebssicherheit
ist er meistens wünschenswert. Arbeitet man jedoch mit einem Halbleiter als Widerstandskörper,
so dürfte die Anbringung eines Blasenfängers wegen der negativen Charakteristik
des Widerstandes in bezug auf die Temperatur überflüssig sein.
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' Oben und unten ist das Rohr i durch kappenartige Glasauf
sätze 4 verschlossen, die beispielsweise mit leicht konischen Schliffen abnehmbar
an dem Rohr i sitzen. Die untere Kappe 4 enthält das Wasserzuleitungsrohr
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und die obere Kappe 4 das Ableitungsrohr io und gegebenenfalls noch das
zweite Ableitungsrohr ii. Die Stromzuführung und -abführung erfolgt durch Kontaktkörper
5, die in kegelige öffnungen der Anschlußkappen dichtend eingesetzt sind
und von denenein Platindraht von etwa 45 mm Durchmesser ausgeht und die Verbindung
mit dem eigentlichen Widerstandsband 2 aus Platin herstellt.
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Federn 6 halten die Kontaktkörper 5 und die Kühlgefäßkappen
4 zusammen. Die konisch. in das Glas eingeschliffenen Kontaktkörper 5
sind
an der Schliffstelle eingekittet. Die Stromzu- und -abführung erfolgt durch Leitungen
8, die durch Klemmschrauben 7 in den Kontaktkörpern 5 festgehalten
sind. Das ganze Gerät, entweder mit oder ohne Blasenfänger, sitzt auf einem Montagebrett
1:2 und kann an jede Wasserleitung angeschlossen werden, beispielsweise mittels
eines über den Stutzen 13 gezogenen Schlauches.
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Die Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform der Anschlußkappe. Bei
dieser enthält die mit Schliff auf das Kühlrohr i gesetzte Kappe 16 außer dem Wasserzu-
oder -ableitungsstutzen 17 eine Einschmelzung 18 für eine Anschlußklemme ig. Wichtig
ist, daß die Zu- und Abführungsleitungen für das Wasser ganz oben und ganz unten
angebracht sind, um den Widerstandsdraht überall gut zu kühlen.
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Das Gerät nach der Erfindung ermöglicht einen Dauerbetrieb bei 2oo
Volt an den Anschlußklemmen mit zeitlicher Sparinungssteigerung auf 330 Volt,
wobei im ersten Fall die Stromstärke 18 Amp., im zweiten über .25 Amp. beträgt.
Pro Sekunde werden dabei ioo ccm Kühlwasser hindurchgeleitet. Im ersten Fall wird
dabei das Wasser um 8', im zweiten um mehr als das Doppelte erwärmt.
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Um einen Vergleich der Belastbarkeit mit einem nicht durch frei strömendesWasser
gekühlten, gleich großen Platinbandwiderstand zu ermöglichen, wurde festgestellt,
daß ein solches Band an der Luft bei einer elektrischen Belastung von etwa
1,7 Amp. durchschmilzt, während in strömendem Wasser das Durchschmelzen erst
bei 42 Amp. stattfindet und eine Dauerbelastung von 15 Amp. betriebssicher ausgehalten
wird.
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Das Gerät ist bei einfachem Aufbau handlicher und raumsparender als
die bisher verwendeten Widerstände mit Kühlung. So genügt für die Vernichtung von
io kW elektrischer Energie eine Vorrichtung der geschilderten Art, die ein Gewicht
von '/,kg und einen Raum von 1 1 einnimmt, währeAd die im Aufbau an
sich auch einfachen luftgekühlten Widerstände von gleicher Leistung ein Gewicht
von 75 kg und einen Raumbedarf von 500 1 haben. Infolge des
übersichtlichen und einfachen Aufbaues und infolge der bei den
Ausführungsbeispielen
gegebenen Möglichkeit eines leichten Auswechselns der Teile, beispielsweise des
Widerstandskörpers selbst, stellt die Einrichtung auch eine wertvolle Bereicherung
auf dem Gebiet de# Laboratoriumsgeräte dar.
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Bei der beschriebenen Kühlung des nicht durch Isolation von dem kühlenden
Medium getrennten stromführenden Teils durch frei strömendes Wasser ist darauf zu
achten, daß der Potentialabfall in der Flüssigkeit derart ist, daß Elektrolyse weitgehend
'vermieden wird, weil sich sonst durch Gasbildung Betriebsstörungen ergeben könnten.
Der vorhandene Kurzschluß über den Wasserwiderstand wirkt nicht störend, da dieser
Widerstand je nach der Beschaffenheit des Gerätes und des Leitungswassers
einige iooo Ohni beträgt.
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Wie bereits erwähnt, kann man der durch das Auftreten von Gasblasen
gegebenen Mög-
lichkeit von Betriebsstörungen infolge Durchschmelzens des
Leiters durch Verwendung eines Halbleiters mit negativer Charakteristik begegnen.
Als solche kommen Metalloide, Metalloxyde und besonders Kohle in Betracht. So kann
man beispielsweise an Stelle des in der Zeichnung veranschaulichten Gerätes ein
etwa doppelt so langes, von Wasser durchströmtes Kühlrohr verwenden, in dem
» ein oder mehrere parallele Kohlefäden vom Wasser umspült sind. Die Gefahr
einer Betriebsstörung durch Gasblasenbildung ist bei Verwendung eines Halbleiters
darum erheblich geringer, weil erstens die Wärmekapazität der Halbleiter entsprechend
ihrem geringen spezifischen Leitvermögen größer ist und weil zweitens, selbst wenn
durch Hinzutreten einer Luftblase der unmittelbare Kontakt zwischen Kühlflüssi-keit
und Leiter unterbrochen wird, infolge des abnehmenden Widerstandes mit der momentanen
Überbelastung eine nur geringe Wärmen-lenge an der betreffenden Stelle entsteht
und abgeführt werden muß.
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Infolge der durch die geschilderten Maßnahmen erzielten besonders
wirksamen Wärmeableitung, wie sie z. B. bei der auf der Zeichnung dargestellten
Ausführungsform erfolgt, und infolge der dadurch ermöglichten Verwendling eines
elektrischen Widerstandskörpers besonders kleiner Wärmekapazität ist noch ein weiterer
Vorzug der Vorrichtung nach der Erfindung dadurch gegeben, daß der Widerstand sofort
(in wenigen Sekunden) nach Einschalten des Stromes seine Endtemperatur und damit
auch seinen Endwiderstand annimmt. Dadurch sind von vornherein während der ganzen
Betriebsdauer gleichblei-Z> el bende Arbeitsbedingungen gewährleistet, im Gegensatz
zu fast allen anderen bekannten Widerständen, die nach Maßgabe ihrer Erwärmung ihren
Widerstandsbetrag ändern.