DE913557C

DE913557C - Cooling arrangement for current-carrying conductors, especially high-power resistors

Info

Publication number: DE913557C
Application number: DES4598D
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Fritz Kesselring
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1941-06-19
Filing date: 1941-06-19
Publication date: 1954-06-14

Description

Kühlanordnung für stromdurchflossene Leiter, insbesondere Hochleistungswiderstände Die Kühlung von Hochleistungswiderständen und ähnlichen stark belasteten stromdurchflossenen Leitern bietet beträchtliche Schwierigkeiten. Ein von Luft umgebener erwärmter Körper vermag in der Regel etwa 1q. W/m2 Oberfläche und je Grad Übertemperatur dauernd abzugeben. Bei Widerständen aus gut wärmeleitendem Baustoff, insbesondere aus Metall oder Metallegierungen, hat man vielfach die Wärmeabgabe durch Bebdasen oder Einbetten in eine Flüssigkeit, ein Ölbad od. dgl., zu verbessern gesucht. Diese Mittel steigern aber die Wärmeabgabe nur in geringem Maße, wenn der Widerstandskörper selbst verhältnismäßig schlecht wärmeleitend ist, wie z. B. bei Widerständen aus Graphit- oder Kohlepreßmassen mit isolierenden Zusätzen oder bei Siliziumkarbidwiderständen. Die Wärmeleitfähigkeit von hochohmigen Kohlewiderständen ist z. B. nur wenig besser als die Wärmeleitfähigkeit von Porzellan. Auch nach metallkeramischen Verfahren hergestellte Widerstände aus Metalloxyden haben im allgemeinen verhältnismäßig schlechtes Wärmeleitvermögen, das ja in der Regel um so geringer ist, je höheren spezifischen Widerstand der Körper hat. Alle diese Stromleiter lassen sich daher nur schwer kühlen.Cooling arrangement for current-carrying conductors, especially high-performance resistors The cooling of high-performance resistors and similar heavily loaded current-carrying ones Ladders present considerable difficulties. A heated body surrounded by air usually capable of about 1q. W / m2 surface and per degree of excess temperature continuously submit. In the case of resistors made of building material with good thermal conductivity, in particular made of metal or metal alloys, one often has the heat dissipation through Bebdasen or embedding In a liquid, an oil bath or the like, sought to improve. Increase these funds but the heat dissipation only to a small extent if the resistance body itself is proportionate is poorly thermally conductive, such as. B. with resistors made of graphite or carbon molding compounds with insulating additives or with silicon carbide resistors. The thermal conductivity of high-resistance carbon resistors is z. B. only slightly better than the thermal conductivity of porcelain. Resistors made using metal-ceramic processes Metal oxides generally have relatively poor thermal conductivity, which is usually lower, the higher the specific resistance of the body Has. All these conductors are therefore difficult to cool.

Die Vergrößerung der kühlenden Oberfläche durch zweckmäßig angebrachte Metallplatten, metallene Kühlrippen u. dgl. ergibt ebenfalls meist nur ungenügende Kühlwirkung, da die Widerstandsschicht zwischen zwei solchen Kühlplatten außerordentlich dünn sein muß, etwa in der Größenordnung von i bis 2 mm, wenn überhaupt wirksam Wärme aus dem Innern des Körpers abgeführt werden soll. Eine Anordnung der Kühlplatten in so geringen Abständen ist aber sehr oft aus rein elektrischen Gründen oder wegen Raummangels oder aus anderen baulichen Rücksichten nicht möglich. -Nach der Erfindung wird der geschilderte Nachteil dadurch beseitigt, daß der zu kühlende Leiter porös ausgeführt und durch seine Poren ein Kühlmittel hindurchgeleitet wird. Da die Poren im stromleitenden Körper im allgemeinen sehr fein verteilt sind und eng aneinanderliegen, ist der Nachteil der geringen Wärmeleitfähigkeit des Widerstandsmaterials praktisch unwirksam gemacht; denn die Widerstandsschicht zwischen zwei benachbarten Poren ist außerordentlich dünn, und es kann somit auch bei geringer Wärmeleitfähigkeit des Materials in der Mitte dieser Widerstandsschicht keine hohe Übertemperatur auftreten. Das den porösen Körper durchfließende Kühlmittel kann gasförmig oder flüssig sein. Als gasförmiges Kühlmittel wird zweckmäßig ein solches von großem Diffusionsvermögen und hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet. Hierfür ist insbesondere Wasserstoff gut geeignet.The magnification of a cooling surface by suitably mounted metal plates, metal cooling fins u. Like. Also yields usually only insufficient cooling effect, because the resistance layer between two such cooling plates must be extremely thin, for example in the order of i mm to 2, if at all effective heat from to be discharged from the inside of the body. An arrangement of the cooling plates at such small intervals is very often not possible for purely electrical reasons or because of a lack of space or for other structural considerations. According to the invention, the disadvantage described is eliminated in that the conductor to be cooled is made porous and a coolant is passed through its pores. Since the pores in the electrically conductive body are generally very finely distributed and lie close to one another, the disadvantage of the low thermal conductivity of the resistor material is practically rendered ineffective; because the resistance layer between two adjacent pores is extremely thin, and therefore no high excess temperature can occur even with low thermal conductivity of the material in the middle of this resistance layer. The coolant flowing through the porous body can be gaseous or liquid. The gaseous coolant used is expediently one with a high diffusivity and high thermal conductivity. Hydrogen is particularly well suited for this.

Eine besonders gute Kühlwirkung ist mit durch die Poren hindurchgeleiteten Flüssigkeiten erreichbar. Es ist ohne Schwierigkeiten möglich, die Widerstandskörper an sich vollkommen flüssigkeitsbeständig und zugleich so saugfähig zu machen, daß sie die Flüssigkeit ähnlich wie ein Schwamm oder wie unglasierter° Ton infolge der Kapillarwirkung aufsaugen. Die Kühlwirkung läßt sich außerordentlich steigern, wenn die Kühlflüssigkeit in den Poren bis zum Verdampfungspunkt erhitzt wird. Als Kühlflüssigkeit eignet sich hierbei eine solche von hoher Verdampfungswärme, insbesondere Wasser.A particularly good cooling effect is through the pores Liquids reachable. It is possible to use the resistance body without difficulty to make completely liquid-resistant and at the same time so absorbent that they the liquid similar to a sponge or like unglazed ° clay as a result of the Soak up capillary action. The cooling effect can be greatly increased if the cooling liquid in the pores is heated to the point of evaporation. As a coolant one with a high heat of vaporization, in particular water, is suitable here.

Das Ausmaß des erzielten Fortschrittes zeigt folgende Überschlagsrechnung: Dieser ist beispielsweise ein Würfel aus Widerstandsmaterial von i cm Seitenlänge, also ein Widerstandsvolumen von i cm3, zugrunde gelegt. Nimmt man an, daß an zwei gegenüberliegenden Stirnflächen des Würfels der Strom zugeführt wird und nur die vier übrigen Würfelflächen zur Wärmeabstrahlung frei bleiben, so beträgt die kühlende Oberfläche 4 cm2. Läßt man eine Übertemperatur von ioo° zu, so ist die dauernde Wärmeabgabe an die umgebende Luft mit der oben angegebenen Erfahrungszahl von 14 W/m2 je Grad Übertemperatur bei 4 cm2 Oberfläche und 1000 Temperaturunterschied nur o,56 W, also außerordentlich klein.The extent of the progress achieved is shown by the following rough calculation: This is based, for example, on a cube made of resistance material with a side length of 1 cm, i.e. a resistance volume of 1 cm3. If one assumes that the current is supplied to two opposite end faces of the cube and only the four remaining cube faces remain free for heat radiation, the cooling surface is 4 cm2. Allowed to a temperature rise of ioo ° to, as is the constant heat transfer to the surrounding air with the above experience value of 14 W / m2 per degree of overtemperature at 4 cm2 surface area and 1000 temperature difference only o, 56 W, that is extremely small.

Nimmt man dagegen an, daß durch die Poren dieses Würfels, beispielsweise durch die hohlen Elektroden als Zuführung, in i Minute i cm3 Wasser hindurchgepreßt und um 8o0 erwärmt wird, so führt das Wasser 335 Wattsekunden in der Minute (Ws/Min.) öder dauernd rund 5,6 Wlcm3 ab; die Kühlwirkung ist also zehnmal so groß wie bei der Oberflächenkühlung in Luft. Beschleunigt man die Durchflußgeschwindigkeii des Wassers, so daß i cm3 Wasser in 15 Sekunder den Würfel durchströmt, so ist die abgeführte Stromwärme viermal so groß wie vorher, alsc 40mal so groß wie bei Oberflächenluftkühlung.If one assumes, however, that through the pores of this cube, for example through the hollow electrodes as a feed, i cm3 of water was pressed in one minute and is heated by 8o0, the water carries 335 watt seconds per minute (Ws / min.) or constantly around 5.6 Wlcm3; the cooling effect is ten times that of surface cooling in air. If you accelerate the flow rate of the Water, so that 1 cm3 of water flows through the cube in 15 seconds, this is the amount that is discharged Electricity heat four times as large as before, than 40 times as large as with surface air cooling.

Wird aber das Wasser in den Poren bei ioo' verdampft, so wird auch noch die Verdampfungswärme des Wassers von 225o Ws/cm3 ausgenutzt. Das Wasser führt also außer der Wärmemenge, die zu seiner Erwärmung auf die Verdampfungstemperatur notwendig ist, auch die der Verdampfungswärme entsprechende Wärmemenge ab. Fließt das Wasser mit einer Temperatur von 2o0 zu, so sind für seine Erwärmung auf ioo° und für seine Verdampfung zusammen rund 260o Ws erforderlich. Diese Wärmemenge wird in der Minute abgeführt, was einer sekundlichen Kühlwirkung von 43 W/cm3 entspricht, wenn die verdampfte Durchflußmenge i cm3/Min. ist. Die Wärmeabfuhr ist gegenüber der reinen Oberflächenkühlung in Luft auf den 77fachen Betrag gesteigert. Wird die verdampfte Durchflußmenge auf i cm3 in 15 Sekunden erhöht, so ist die Wärmeabgabe 172 W, somit rund das 307fache der bei der Oberflächenluftkühlung abführbaren Wärmemenge.But if the water in the pores evaporates at ioo ', then also becomes the heat of evaporation of the water of 225o Ws / cm3 is still used. The water leads that is, apart from the amount of heat required to heat it up to the evaporation temperature is necessary, the amount of heat corresponding to the evaporation heat. Flows if the water has a temperature of 2o0, then it is necessary to warm it to 100 ° and around 260o Ws are required for its evaporation. This amount of heat is dissipated per minute, which corresponds to a secondary cooling effect of 43 W / cm3, when the evaporated flow rate is i cm3 / min. is. The heat dissipation is opposite the pure surface cooling in air increased to 77 times the amount. Will the if the evaporated flow rate is increased to 1 cm3 in 15 seconds, the heat output is 172 W, around 307 times the amount of heat that can be dissipated with surface air cooling.

Eine derartige Kühlung ermöglicht, Widerstände für eine dauernd hohe spezifische Energiebelastung je Volumeinheit zu bauen, wobei ,der spezifische Widerstand selbst groß sein kann, während die Übertemperatur im Widerstandskörper in mäßigen Grenzen bleibt.Such a cooling enables resistances for a continuously high level build specific energy load per unit volume, where, the specific resistance itself can be large, while the overtemperature in the resistor body is moderate Limits remain.

Die Ausnutzung der Verdampfungswärme der durchgeleiteten Flüssigkeit ist dadurch beschränkt, daß eine heftige Verdampfung im Innern des Widerstandsmaterials, die den Widerstandskörper zersprengen oder die Kühlflüssigkeit aus den Poren herausdrücken könnte, vermieden werden muß. Die Wärmeverteilung im Widerstandskörper ist daher so zu lenken und die Kühlflüssigkeit so zuzuführen, daß diese nur in den Poren seiner äußeren Schichten verdampft wird. Das Kühlmittel wird am besten durch Kanäle dem Innern des zu kühlenden Körpers zugeführt und von dort durch dessen Poren gegen die Oberfläche geleitet. Diese Kühlmittelführung ist auch: bei gasförmigen Kühlmitteln zweckmäßig.The utilization of the heat of vaporization of the liquid passed through is limited by the fact that violent evaporation inside the resistor material, which burst the resistance body or force the cooling liquid out of the pores could, must be avoided. The heat distribution in the resistor body is therefore to direct and to supply the cooling liquid so that it is only in the pores of his outer layers is evaporated. The coolant is best served by ducts Inside the body to be cooled and fed from there through its pores against passed the surface. This coolant flow is also: with gaseous coolants expedient.

Das flüssige Kühlmittel kann durch Kapillarwirkung (Dochtwirkung) in die Poren gefördert und aus diesen durch Verdampfung wieder entfernt werden, so daß der Kapillarstrom dauernd aufrechterhalten wird. Das verdampfte Kühlmittel kann kondensiert und rückgekühlt wiedergewonnen und neuerlich zur Kühlung verwendet werden. Es wird also im Kreislauf den Poren des zu kühlenden Körpers zugeführt. An Stelle der Kapillarwirkung kann zur Förderung natürlich auch eine mechanische Fördereinrichtung (Pumpe) verwendet werden, die das Kühlmittel entweder unabhängig oder abhängig von der jeweiligen Belastung des Widerstandes durch die Poren des zu kühlenden Körpers hindurchpreßt. Im zweiten Fall ist also die Fördermenge des die Poren durchfließenden Kühlmittels in Abhängigkeit von der Strombelastung des zu kühlenden Körpers selbsttätig zu regeln. Dies gilt sowohl für flüssige als auch für gasförmige Kühlmittel.The liquid coolant can by capillary action (wicking) conveyed into the pores and removed from them again by evaporation, so that the capillary flow is continuously maintained. The evaporated coolant can be recovered condensed and recooled and used again for cooling will. In other words, it is circulated to the pores of the body to be cooled. Instead of the capillary effect, a mechanical one can of course also be used for the promotion Feeding device (pump) are used, which the coolant either independently or depending on the respective load of the resistor through the pores of the to be cooled body presses through. In the second case, the delivery rate is the the pores flowing through the coolant depending on the Current load of the body to be cooled automatically. This applies to both liquid and also for gaseous coolants.

Die Wiederverwendung des Kühlmittels im Kreislauf hat den Vorteil, daß leichter Verunreinigungen von ihm ferngehalten werden können, die die Poren des gekühlten Körpers mit der Zeit verstopfen und die Kühlung behindern würden. Es ist daher das flüssige oder gasförmige Kühlmittel in möglichst reinem Zustand zu verwenden oder einer dauernden Reinigung zu unterziehen, ehe es den Poren zufließt. Wasser ist z. B. in destilliertem Zustand zu verwenden, damit sich nicht in den Poren des durchflossenen Körpers Kesselstein absetzt.The reuse of the coolant in the circuit has the advantage of that more easily contaminants can be kept away from it, which the pores of the cooled body would become clogged over time and impede cooling. It is therefore the liquid or gaseous coolant in as pure a state as possible to use or to subject to permanent cleaning before it flows into the pores. Water is z. B. to use in the distilled state so that it does not fall into the Pores of the flowed through body deposits scale.

Neben Wasser, das infolge seiner sehr hohen Verdampfungswärme von 225o Ws/ems besonders vorteilhaft ist, können auch andere Flüssigkeiten zur Kühlung verwendet werden. Ö1 ist in elektrischer Hinsicht zuweilen vorteilhafter, doch ist seine Verdampfungswärme nur etwa 25o Ws/cms. Damit bei Temperaturen unter Null ein Einfrieren der Einrichtung im unbelasteten Zustand und damit die Gefahr des Zersprengens des gekühlten Körpers vermieden wird, sind der Kühlflüssigkeit gefrierpunkterniedrigende Mittel beizufügen. Wasser wird z. B. in an sich bekannter Weise mit einem ein- oder mehrwertigen Alkohol, etwa einem Glykol oder Glyzerin, gemischt.In addition to water, which due to its very high heat of vaporization of 225 ° Ws / ems is particularly advantageous, other liquids can also be used for cooling be used. Ö1 is sometimes more advantageous from an electrical point of view, but it is its heat of vaporization only about 25o Ws / cms. So that at temperatures below zero Freezing of the device in the unloaded state and thus the risk of bursting of the cooled body is avoided, the cooling liquid lowering the freezing point Include funds. Water is z. B. in a known manner with a one or polyhydric alcohol, such as a glycol or glycerine, mixed.

Das Kühlmittel ist mit Vorteil so zu führen, daß es in die an der wärmsten Stelle des zu kühlenden Körpers liegenden Poren eintritt und aus den an der kühlsten Stelle liegenden Poren austritt. Hierdurch werden die spezifisch am höchsten beanspruchten Stellen des Körpers am besten gekühlt.The coolant is to be led with advantage so that it is in the The warmest part of the body to be cooled enters and exits the the pores lying at the coolest point emerge. As a result, the specific am The most stressed parts of the body are best cooled.

Die beschriebene Kühlanordnung eignet sich besonders für alle hochbelasteten Widerstände. Der Körper mit Porenkühlung kann beispielsweise als Belastungs- oder Bremswiderstand für elektrische Fahrzeuge oder als Schaltwiderstand eines Widerstandsschalters, insbesondere eines Widerstandsstromrichters (Stromrichter mit Widerstandskommutierung), ausgebildet sein. Er kann aber auch als Stromwendersteg oder als Stromwenderbürste für elektrische Gleich- und Wechselstrommaschinen ausgebildet werden.The cooling arrangement described is particularly suitable for those with high loads Resistances. The body with pore cooling can be used, for example, as a load or Braking resistor for electric vehicles or as a switching resistor of a resistance switch, in particular a resistance converter (converter with resistance commutation), be trained. But it can also be used as a commutator bar or as a commutator brush for electrical DC and AC machines.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Cooling arrangement for current-carrying conductors, in particular High-performance resistors, characterized in that the conductor is porous and through a coolant is passed through its pores.

2. Cooling arrangement according to claim i, characterized in that a gas through the pores of the body to be cooled z. B. air is passed through.

3. Cooling arrangement according to claim 2, characterized in that that through the pores a gas of great diffusivity and high thermal conductivity, z. B. hydrogen is passed through. q .. cooling arrangement according to claim i, characterized characterized in that a liquid is passed through the pores. 5. Cooling arrangement according to claim q., characterized in that the cooling liquid in the pores to is heated to the point of evaporation. 6. Cooling arrangement according to claim 5, characterized in that that as a cooling liquid such a high heat of vaporization, z. B. water is used will. 7. Cooling arrangement according to claim 6, characterized in that the cooling liquid is only evaporated in the pores of the outer layers of the body to be cooled. B. cooling arrangement according to claim i to 7, characterized in that the coolant is supplied through channels to the interior of the body to be cooled and from there through whose pores flow against the surface. 9. Cooling arrangement according to claim 5 to 8, characterized in that the coolant is conveyed into the pores by capillary action and is removed from these again by evaporation. ok Cooling arrangement according to claim r to 9, characterized in that the coolant is the pores of the body to be cooled is fed in the circuit. i i. Cooling arrangement according to: Claims 5 to i o, characterized characterized in that the evaporated coolant in condensed and recooled State is used again for cooling. 12. Cooling arrangement according to claim i to i i, characterized in that the coolant is conveyed into the pores by a pump will. 13. Cooling arrangement according to claim 12, characterized in that the delivery rate of the coolant flowing through the pores as a function of the current load of the body to be cooled is regulated: 1q .. cooling arrangement according to claims i to 13, characterized in that the coolant in the at the warmest point of the to pores lying in the body and out of the pores lying at the coolest point Pores emerge. 15. Cooling arrangement according to claim q: to 1q., Characterized in, that the cooling liquid freezing point lowering agents such. B. the water in It is known that a glycol, or glycerine, is added to make it freeze in the pores when the current conductor is unloaded. 16. Cooling arrangement according to Claims i to 15, characterized in that the coolant is subjected to cleaning before it flows into the pores. 17. Cooling arrangement according to claim 16, characterized in that that distilled water is used as the coolant. 18. Cooling arrangement according to claim i to 17, characterized in that the body with Pore cooling is designed as a load or braking resistor for electric vehicles. ig. Cooling arrangement according to Claims i to 17, characterized in that the body with pore cooling as switching resistance of a resistance switch or resistance converter is trained. 2o. Cooling arrangement according to claims i to 17, characterized in that that the body is designed as a commutator web with pore cooling. 2i. Cooling arrangement according to claims i to 17, characterized in that the body has pore cooling is designed as a commutator brush.