DE9100865U1

DE9100865U1 - Flüssigkeitsgekühlter Hochlastwiderstand

Info

Publication number: DE9100865U1
Application number: DE9100865U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-01-25
Filing date: 1991-01-25
Publication date: 1991-04-18
Anticipated expiration: 2001-01-26

Description

91 6 3 O 2 7 DE

Siemens Aktiengesellschaft

Flussigkeitsgekuhlter Hochiastwiderstand 5

Die Erfindung bezieht sich auf einen flüssigkeitsgekühlten Hochlastwiderstand.

Aus der DE 33 37 420 Al ist ein elektrischer Hochlastwiderstand bekannt, der aus einem elektrisch isolierenden Trägerkörper besteht, der auf einer Seite ein draht- oder bandförmiges Widerstandsmaterial trägt und dessen gegenüberliegende Seite mit einer Kühleinrichtung verbindbar ist. Dabei weist der Trägerkörper eine Platte auf, auf deren einer Hauptfläche eine zweite Platte kleinerer Breite angeordnet ist. Die zweite Platte weist entlang ihrer Länge eine Anzahl sich über die ganze Breite erstreckende, nach oben offene Einschnitte auf, in denen von einem Rand der zweiten Platte zum anderen Rand der zweiten Platte das Widerstandsmaterial hin und her verlaufend angeordnet ist. Derartige Hochlastwiderstände haben zwar eine hohe Isolierfestigkeit, können jedoch keine hohen Verlustleistungen abführen.

Aus der DE 36 39 239 Al ist ein flussigkeitsgekuhlter Widerstand bekannt, der aus einem Hohlkörper und einem in seinem Innenraum angeordneten Widerstandsträger besteht. Dieser Widerstandskörper ist mit Widerstandsdraht bewickelt. Der Hohlkörper und der Widerstandskörper bestehen aus Isoliermaterial und sind durch einen einen Kühlkanal bildenden Zwischenraum voneinander beabstandet, der ans untere Ende des Hohlkörpers mit einem Kühlmittelzufluß und am oberen Ende des Hohlkörpers mit einem Kühlmittelabfluß in Verbindung steht. Der Widerstandsträger besteht aus einem stabförmigen Körper mit radial angeordneten Armen, auf denen der Widerstandsdraht bidirektional aufgewickelt ist. Die Enden des Widerstandsdrahtes sind jeweils mit einem elektrischen Anschluß verbunden. Ein derartig flussigkeitsgekuhlter Widerstand hat eine geringe Induktivität und kann eine hohe Verlustleistung abführen. Nachteilig ist jedoch, daß derartige Widerstände eine geringe Isolierfestigkeit aufweisen und die Kühlflüssigkeit nicht elektrisch leitend sein darf.

Ur/Bim / 23.01.1991

91 G 3 027 OE

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen flüssigkeitsgekühlten Widerstand anzugeben, der auf kleinem Raum eine hohe Verlustleistung abführen kann, niederinduktiv ist und dessen Isolierfestigkeit sehr hoch ist.
5

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Widerstandselement zwischen zwei Flüssigkeitskühlkörpern verspannt wird, wobei jeweils zwischen einem Flüssigkeitskühlkörper und dem Widerstandselement eine elektrisch isolierende, wärmeleitende Scheibe angeordnet ist und wobei das Widerstandselement aus einem elektrisch isolierenden Trägerkörper und einem bandförmigen Widerstandsmaterial besteht, das derartig um eine Stirnseite des Trägerkörpers gelegt ist, daß annähernd die beiden Flachseiten des Trägerkörpers bedeckt sind und wobei das Widerstandsmaterial im vom Flüssigkeitskühlkörper abgedeckten Bereich mit Schlitzen versehen ist.

Durch die Schlitzung des Widerstandsmaterials im vom Flüssigkeitskühlkörper abgedeckten Bereich erhöht sich der Widerstandswert pro Längeneinheit erheblich, wodurch sich die Verlustleistung erhöht. Da durch die Verwendung von Flüssigkeitskühlkörpern im geschlitzten Bereich eine hohe Wärmeableitung ermöglicht wird, kann die hohe Verlustleistung abgeführt werden.

Da bei diesem flüssigkeitsgekühlten Hochlastwiderstand zwischen dem Widerstandselement und dem Flüssigkeitskühlkörper jeweils eine elektrisch isolierende, wärmeleitende Scheibe vorgesehen ist, kann durch deren Dimensionierung die Spannungsfestigkeit dieses Hochlastwiderstandes einer geforderten Isolierfestigkeit angepaßt werden. Die Dicke und die Kriechstromweglängen dieser Isolierscheiben richten sich nach der erforderlichen Durchschlagsfestigkeit bzw. der maximalen Potentialdifferenz zwischen dem Widerstandselement und eines Kühlflüssigkeitskörpers.

Das Widerstandselement beinhaltet einen elektrisch isolierenden Trägerkörper, dessen Dicke und dessen Kriechstromweglängen sich nach der maximalen Spannungsdifferenz an den als Stromanschlüsse ausgebildeten freien Enden des bandförmigen Widerstandsmaterials richten.

91 G 3 027 OE

Als Isoliermaterial für die elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Scheiben und des elektrisch isolierenden Trägerkörpers wird Keramikmaterial, beispielsweise Aluminiumoxid (Al O₂) oder Aluminiumnitrit (Al N), verwendet.

Da die Ströme im Widerstandsmaterial des Widerstandselementes im Abstand der Dicke des Trägerkörpers antiparallel fließen, ist das Widerstandselement und damit der flüssigkeitsgekühlte Hochlastwiderstand niederinduktiv aufgebaut. 10

Durch die Anzahl der Schlitze sowie durch deren Gestaltung und Kombination kann der Widerstandswert und die Verlustleistung des Hochlastwiderstandes vorbestimmt werden.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des flüssigkeitsgekühlten Hochlastwiderstandes ist das bandförmige Widerstandsmaterial mit dem elektrisch isolierenden Trägerkörper verklebt und dieses verklebte Widerstandselement ist mit den beiden Isolierscheiben verklebt. Dadurch vereinfacht sich die Montage (Verspannung) des Hochlastwiderstandes.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des flüssigkeitsgekühlten Hochlastwiderstandes sind die Schlitze im Widerstandsmaterial auf den beiden Seiten des Trägerkörpers deckungsgleich. Dadurch können sie in einem Arbeitsgang in das bandförmige Widerstandsmaterial geschnitten werden, wodurch sich die Fertigungskosten senken.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsbeispiele des Widerstandselementes des flüssigkeitsgekühlten Hochlastwiderstandes schematisch veranschaulicht sind.

Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen flüssigkeitsgekühlten Hochlastwiderstandes,

Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf den Hochlastwiderstand nach Figur 1, wobei der obere Flüssigkeitskühlkörper weggenommen ist, und in den

916 3 027 OE

Figuren 3 bis 7 sind Draufsichten auf Hochlastwiderstände

gezeigt, wobei jeweils der obere Flüssigkeitskühlkörper fehlt und das Widerstandsmaterial jeweils eine andere Schlitzung aufweist.
5

In den Figuren 1 bis 7 sind gleiche Bezugszeichen für funktionsgleiche Teile verwendet worden.

In der Figur 1 ist eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen flüssigkeitsgekühlten Hochlastwiderstandes dargestellt. Dieser Hochlastwiderstand besteht aus einem Widerstandselement 2, das zwischen zwei Flüssigkeitskühlkörper 4 und 6 angeordnet ist. Zwischen dem Widerstandselement 2 und einem Flüssigkeitskühlkörper 4 bzw. 6 ist jeweils eine Isolierscheibe 8 bzw. 10 angeordne_tt. Diese Scheibe 8 bzw. 10 ist elektrisch isolierend und wärmeleitend. Als Material ist Keramik, beispielsweise Aluminiumoxid (Al Oj) oder Aluminiumnitrit (Al N), vorgesehen. Als Flüssigkeitskühlkörper 4 bzw. 6 kann eine im Handel erhältliche Kühldose, wie sie zur Kühlung scheibenförmiger, wärmeerzeugender Bauelemente verwendet werden, benutzt werden.

Das Widerstandselement 2 besteht aus einem elektrisch isolierenden Trägerkörper 12 und einem bandförmigen Widerstandsmaterial 14. Als Material für den Trägerkörper ist Keramik, beispielsweise Aluminiumoxid (Al O₉) oder Aluminiumnitrit (Al N), vorgesehen. Als Widerstandsmaterial 14 ist eine im Handel erhältliche Widerstandslegierung aus Kupfer und Nickel bzw. aus Kupfer, Nickel und Mangan vorgesehen. Dieses bandförmige Widerstandsmaterial 14 ist derartig um eine Stirnseite des Trägerkörpers 12 gelegt, daß annähernd die beiden Flachseiten 16 und 18 des Trägerkörpers 12 bedeckt sind. Die freien Enden 20 und 22 des bandförmigen Widerstandsmaterials 14 bilden jeweils einen elektrischen Anschluß des Hochlastwiderstandes.

Die Dicke dieses Trägerkörpers 12 richtet sich nach der maximalen Spannungsdifferenz an den freien Enden 20 und 22 des bandförmigen Widerstandsmaterials 14. Die Dicke und die Kriechstromweglänge der elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Scheiben

916 3 027OE

und 10 richtet sich nach der erforderlichen Durchschlagsfestigkeit bzw. der maximalen Potentialdifferenz zwischen dem Widerstandsmaterial 14 und dem Flüssigkeitskühlkörper 4 bzw. 6.

Aus Übersichtlichkeitsgründen ist auf die Darstellung des Spannverbandes verzichtet worden. Dieser Spannverband unterscheidet sich auch gar nicht von einem Spannverband für ein Thyristorventil, bestehend aus wenigstens einem scheibenförmigen Thyristor und einer Kühldose. Selbstverständlich können wie beim Aufbau von Thyristorventilen für hohe Sperrspannungen auch mehrere Widerstandselemente 2 in einem Spannverband verspannt werden.

Die Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf den in Figur 1 dargestellten flüssigkeitsgekühlten Hochlastwiderstand, wobei zur besseren Darstellung auf den oberen Flüssigkeitskühlkörper 6 verzichtet wurde. Der Bereich des Widerstandsmaterials 14, der von den Flüssigkeitskühlkörpern 4 bzw. 6 abgedeckt wird, ist durch eine unterbrochene Kreislinie markiert. In diesem Bereich 24 ist das bandförmige Widerstandsmaterial 14 mit Schlitzen 26 versehen. Bei der in Figur 2 dargestellten Schlitzung des Widerstandsmaterials 14 beginnen die Schlitze 26 jeweils abwechselnd an einer Schmalseite des bandförmigen Widerstandsmaterials 14 und enden im Randbereich des vom Flüssigkeitskühlkörper 4 bzw. 6 abgedeckten Bereichs 24. Dadurch ist die vom Flüssigkeitskühlkörper 4 bzw. 6 abgedeckte kreisförmige Fläche 24 mit räumlich parallel zueinander angeordneten Schlitzen 26 versehen. Dadurch fließt der Strom, eingespeist am freien Ende 20 bzw. 22, mäanderförmig durch den geschlitzten Bereich. Da sich die Breite pro Längeneinheit erheblich geändert hat, hat sich erheblich der widerstandswert pro Längeneinheit erhöht. Dadurch wird im Bereich der Flüssigkeitskühlkörper 4 und 6 eine sehr viel höherer Verlustleistung erzeugt und mittels der Flüssigkeitskühlkörper 4 und 6 abgeführt als im Bereich der freien Enden 20 und 22 des Widerstandsmaterials 14. Wie diese Darstellung zeigt, ist das bandförmige Widerstandsmaterial 14 schmaler als der elektrisch isolierende Trägerkörper 12. Die überstehenden Bereiche dieses Trägerkörpers 12 bilden eine Kriechstromweglänge. Diese Kriechstromweglänge richtet sich nach der maximalen Spannungsdifferenz des Widerstandsmaterials 14.

91 G 3 027 OE

Eine vorteilhafte Schlitzung des Widerstandsmaterials IA ist in Figur 3 dargestellt. Bei dieser Anordnung der Schlitze 26 wird der Strom durch den Hochlastwiderstand in zwei elektrisch parallele Teilströme aufgeteilt, die dann jeweils mäanderförmig durch den geschlitzten Bereich fließen. Die Symmetrieachse 28 trennt die beiden mäanderförmigen durchflossenen Teilbereiche. In den Querpfaden, gekennzeichnet durch Doppelpfeile A, fließt deshalb kein Strom, weil die Teilspannungen gleich sind. Durch diese Schlitzung werden Bereiche mit Stromeinschnürungen verhindert.

Die Erkenntnis, daß in den Querpfaden, gekennzeichnet durch Doppelpfeile A, kein Strom fließt, ist in der Schlitzung gemäß Figur A genutzt worden. Bei dieser Schlitzung ist entlang der Symmetrieachse 28 ein weiterer Schlitz 26 angeordnet. Durch diesen,Schlitz 26 vereinfacht sich auch die Herstellung des geschlitzten Widerstandsmaterials IA, da für die innerhalb des abgedeckten Bereichs 2A angeordneten Schlitze 26 kein gesonderter Arbeitsgang mehr benötigt wird. Gegenüber der Schlitzung nach Figur 3 ist im abgedeckten Bereich 2A die Strompfadbreite geringer bzw. die Anzahl der Schlitze 26 höher. Dadurch ist die Verlustleistung und der Widerstandswert höher gegenüber der Ausführungsform nach Figur 3.

In den Figuren 5 und 6 sind weitere mögliche Schlitzungen des Widerstandsmaterials IA im abgedeckten Bereich 2A dargestellt. Wie die Darstellung der Figur 7 zeigt, können die Schlitze 26 auch zu Ausnehmungen abgeändert werden, wodurch eine wesentlich höhere Spannungsdifferenz an den freien Enden 20 und 22 des bandförmigen Widerstandsmaterials IA zugelassen werden kann. 30

Die Vorteile dieses erfindungsgemäßen flüssigkeitsgekühlten Hochlastwiderstandes bestehen darin, daß auf kleinem Raum eine hohe Verlustleistung abgeführt werden kann, die Isoliserfestigkeit sehr hoch und der Strompfad niederinduktiv ist. 35

Claims

916 3 027 OE Schutzansprüche

1. Flüssigkeitsgekühlter Hochlastwiderstand, bestehend aus einem Widerstandselement (2), das zwischen zwei Flüssigkeitskühlkörpern (4, 6) verspannt ist, wobei jeweils zwischen einem Flüssigkeitskühlkörper (4, 6) und dem Widerstandselement (2) eine elektrisch isolierende, wärmeleitende Scheibe (8, 10) angeordnet ist und wobei das Widerstandselement (2) aus einem elektrisch isolierenden Trägerkörper (12) und einem bandförmigen Widerstandsmaterial (12) besteht, das derart um eine Stirnseite des Trägerkörpers (12) gelegt ist, daß annähernd die beiden Flachseiten des Trägerkörpers (12) bedeckt sind und wobei das Widerstandsmaterial (14) im vom Flüssigkeitskühlkörper (4, 6) abgedeckten Bereich (24) mit Schlitzen (26) versehen ist.

2. Flüssigkeitsgekühlter Hochlastwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bandförmige Widerstandsmaterial (14) mit dem Trägerkörper (12) und die elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Scheiben (8, 10) mit dem bandförmigen Widerstandsmaterial (14) verklebt sind.

3. Flüssigkeitsgekühlter Hochlastwiderstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Enden (20, 22) des bandförmigen Widerstandsmaterials

(14) jeweils als ein Anschluß ausgebildet sind.

4. Flüssigkeitsgekühlter Hochlastwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (26) im Widerstandsmaterial (14) auf beiden Seiten des Trägerkörper (12) deckungsgleich sind.

5. Flüssigkeitsgekühlter Hochlastwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (26) räumlich parallel zueinander angeordnet sind, abwechselnd von einer der beiden Schmalseiten des bandförmigen Widerstandsmaterials (14) beginnen und im Randbereich vom Flüssigkeitskühlkörper (4, 6) abgedeckten Bereich (24) enden.

91 6 3 O 2 7 OE

6. Flussigkeitsgekuhlter Hochlastwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (26) räumlich parallel zueinander angeordnet sind, daß die an den Schmalseiten des bandförmigen Widerstandsmaterials (14) beginnenden Schlitze (26) einander gegenüber angeordnet sind und daß zwischen derartig benachbarten Schlitzen (26) jeweils ein weiterer Schlitz (26) mittig angeordnet sind.

7. Flussigkeitsgekuhlter Hochlastwiderstand nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß die mittig angeordneten Schlitze (26) mittels eines senkrecht zu diesen verlaufenden Schlitzes (26) verbunden sind.

8. Flussigkeitsgekuhlter Hochlastwiderstand nach Anspruch 1,

5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Schlitze (26) Aussparungen vorgesehen sind.