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Von einem Metallgehäuse eingeschlossener gekühlter Trockengleichrichter
Die Erfindung betrifft einen von einem Gehäuse eingeschlossenen Trockengleichrichter,
welcher eine Kühlung erforderlich macht.
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Beim Betrieb von Trockengleichrichtern entsteht durch die Verluste
im Trockengleichrichter Wärme, welche eine Temperaturerhöhung herbeiführt, die über
die für den einzelnen Trockengleichrichtertyp zulässige Höchsttemperatur hinausgehen
kann, sofern nicht durch Kühlung eine ausreichende Abführung der entstehenden Wärme
erfolgt. Nun müssen die Trockengleichrichter mit feuchtigkeitsempfindlichen Halbleiterkristallen
in ein Gehäuse dicht eingeschlossen werden, wodurch die Wärmeleitung weiter herabgesetzt
wird.
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Um die Wärmeableitung zu erhöhen, ist bekannt, an die Trockengleichrichter
oder an deren Gehäuse Kühlscheiben anzubringen. Bei einem bekannten Trockengleichrichter
ist mit dem Trockengleichrichter ein Kühlkörper fest verbunden, der von zylindrischer
Form ist und dessen Mantelfläche durch radiale Schlitze rippenförmig ausgebildet
ist. Hierzu werden feste mechanische Verbindungen, wie Lötungen oder Schweißung,
benutzt. Die Absicht ist, eine kleine Wärmeübergangszahl zu erreichen. Da jedoch
die Abstimmung von Trockengleichrichtern hinsichtlich Verlustleistung und zulässige
Höchsttemperatur zweckmäßig mit der Kühlungsart und der Dimensionierung der Kühlung,
z. B. Bemessung der Größe der Kühlscheiben, praktisch nur durch Versuche mit genügender
Sicherheit zu ermitteln sind, stört hierbei die bekannte Bauweise sehr erheblich.
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Sowohl die zur Lösung einer festen Löt- oder Schweißverbindung von
Kühlblechen und Trockengleichrichter erforderlichen hohen Temperaturen als auch
die Unzugänglichkeit der Verbindungsstelle bei Trockengleichrichtern, die von einem
Metallgehäuse eingeschlossen sind, ergeben leicht eine unerträgliche Veränderung
der elektrischen Eigenschaften des Gleichrichters.
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Ein anderer bekannter Trockengleichrichter zeigt einen Aufbau, bei
welchem am Boden eines metallischen Gehäuses sich eine quaderförmige Verstärkung
befindet, die einen Schraubbolzen trägt. Auf diesen Bolzen können Kühlscheiben aufgereiht
werden. Dieser Bolzen dient außerdem der Befestigung des ganzen Trockengleichrichters
an einem Träger. Dieser Aufbau weist besonders deshalb Nachteile auf, weil die Kühlscheiben
nicht von dem Trockengleichrichter gelöst werden können, ohne daß es hierzu erforderlich
wäre, den Trockengleichrichter von seinem Träger zu entfernen.
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Des weiteren ist bekannt, einen Trockengleichrichter in ein zylindrisches
Gehäuse mit einem ringförmigen Isolierteil und zwei metallischen Endscheiben einzuschließen.
Die beiden Metallscheiben tragen je einen zentralen Gewindebolzen oder statt dessen
je eine Gewindebohrung, welche der Befestigung des Trockengleichrichters auf einem
Träger dienen.
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Gemäß der Erfindung ist am Gehäuseboden des Trockengleichrichtergehäuses
durch eine lösbare mechanische Verbindung ein metallischer, insbesondere massiver
Kühlblock befestigt, welcher mit ebenen, in radialer Richtung angeordneten, metallischen
Kühlscheiben versehen ist, die an der dem Trockengleichrichter zugewandten Endfläche
des Kühlblockes ohne Verbindung oder Berührung mit dem Trockengleichrichtergehäuse
über die Endfläche des Kühlblockes überstehen, und an der vom Kühlblock -abgewandten
Seite des Trockengleichrichtergehäuses ist mittels einer Porzellanisolierung ein
Bolzen herausgeführt, der an seinem freien Ende mit einem Schraubgewinde versehen
ist und einen Elektrodenanschluß des Trockengleichrichters bildet.
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Bei dem Trockengleichrichter nach der Erfindung können die Nachteile
der bekannten Trockengleichrichter vermieden werden. Insbesondere kann ein Wechsel
des Kühlkörpers eines Trockengleichrichters vorgenommen werden, ohne daß deswegen
ein Ausbau des Trockengleichrichters aus der Trockengleichrichteranordnung erfolgen
müßte. Außerdem kann für diesen Trockengleichrichter in kurzer Zeit und ohne Schädigung
des Trockengleichrichters auch bei umfangreicheren Versuchsreihen eine Auswahl unter
mehreren Kühlanordnungen oder unter mehreren Bemessungsmöglichkeiten getroffen werden,
oder es können geeignete Kombinationen von Kühlblöcken und Trockengleichrichtern
durch Erprobung leicht ermittelt werden. Wie eingehende Untersuchungen weiterhin
zeigten, kann mit einer lösbaren mechanischen Verbindung ein solcher Wärmekontakt
zwischen
Trockengleichrichter und Kühlblock hergestellt werden,
daß dieser praktisch keinen Unterschied gegenüber einem Kontakt durch eine feste
Verbindung erkennen läßt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung besteht in einer vorteilhaften Ausführung
von Kühlblock und Kühlscheiben; diese ergibt eine verbesserte Wärmeableitung, ohne
die Trennungsmöglichkeit der Verbindung von Trockengleichrichter bzw. Trockengleichrichtergehäuse
und Kühlblock zu beeinträchtigen.
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Besondere Vorteile werden bei einem Trockengleichrichter gemäß der
Erfindung erzielt, wenn er einen Halbleiterkristall aus Germanium, Silizium, einer
halbleitenden Verbindung aus einem Element der III. Gruppe und einem Element der
V. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente oder einem anderen Halbleiter für
Trockengleichrichter hoher Verlustleistungsdichte aufweist.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung sind in den Fig. 1 bis 3 in
zum Teil schematischer Darstellung Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeichnet.
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Fig.1 zeigt einen Schnitt durch einen Trockengleichrichter. In dem
Metallgehäuse l befindet sich der Halbleiterkristall 2, z. B. aus Germanium, und
die Elektroden 3 und 4 des Trockengleichrichters. Das Metallgehäuse 1 ist vorzugsweise
von kreiszylindrischer Form und hat in seiner Deckfläche eine Öffnung, in welche
eine Porzellanisolierung 5 eingesetzt ist. Durch diese Porzellanisolierung 5 hindurch
ist die Elektrode 3 isoliert aus dem Metallgehäuse 1 herausgeführt. Dieser Teil
der Elektrodenzuleitung besteht zweckmäßig aus einem Bolzen 6, der an seinem freien
Ende mit einem Schraubgewinde versehen ist.
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Auf dem Gehäuseboden ist der Halbleiterkristall 2 mittels einer Elektrode
4 als Lotschicht angebracht. Vorzugsweise wird diejenige der Elektroden 3 und 4
als Lotschicht verwendet, welche den kleineren Wärmeflußwiderstand zwischen Wärmequelle
und Gehäusewand 1 aufweist. Das Trockengleichrichtergehäuse 1 ist mit seinem Gehäuseboden
an einem metallischen massiven Kühlblock 7 durch eine lösbare mechanische Verbindung
befestigt. Diese Verbindung wird vorteilhaft durch einen gewindetragenden Stift8,
der sich auf der Außenseite des Gehäusebodens befindet, und einer das entsprechende
Muttergewinde tragenden Bohrung9 in dem Kühlblock? gebildet. Ein Elektrodenanschluß
wird an dem Metallgehäuse1 oder vorzugsweise an dem Kühlblock 7 vorgenommen.
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Der Kühlblock? ist mit ebenen in radialer Richtung angeordneten metallischen
Kühlscheiben 10 versehen. Der Kühlblock 7 hat ferner zweckmäßig kreiszylindrische
Form und die gleiche radiale Ausdehnung wie das Trockengleichrichtergehäuse 1 und
ist nur an seiner Mantelfläche 11 mit ebenen Kühlscheiben 10 versehen. Die Kühlscheiben
10 schließen mit der Bodenfläche 12 des Kühlblockes 7 günstig mindestens angenähert
bündig ab. Die Höhe des Kühlblockes 7 kann etwa das ein- bis zweifache seines Durchmessers
betragen.
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Es ist in Einzelfällen günstig, wenn die Kühlscheiben 10 in radialer
Richtung längs der Achse von Trockengleichrichter 2-4 bzw. Trockengleichrichtergehäuse
1 und Kühlblock 7 eine veränderliche Ausdehnung, insbesondere aber eine längs des
Kühlblockmantels 11 mindestens angenähert konstante maximale Ausdehnung aufweisen.
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Ein Beispiel einer solchen Ausführung besteht darin, daß die Kühlscheiben
10 von der Bodenfläche 12 des Kühlblockes 7 bis auf die Höhe der Endfläche des Kühlblockes
7, die dem Trockengleichrichter zugewandt ist, eine konstante maximale radiale Ausdehnung
haben. Nun kann die radiale Ausdehnung bei weiterem Fortschreiten in Richtung von
Gehäuseboden zur Deckfläche des Mantelgehäuses 1 etwa linear abnehmen, und zwar
beispielsweise derart, daß die Kühlbleche etwa vier Fünftel der Höhe des Metallgehäuses
1 vom Gehäuseboden entfernt als Spitze einer Dreiecksfläche enden.
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Fig.2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. In zum Teil schematischer
Darstellung ist in dieser Figur ein Schnitt durch einen Trockengleichrichter dargestellt.
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Wie Fig. 1 enthält Fig. 2 einen von einem Metallgehäuse 1 eingeschlossenen
Trockengleichrichter 2-4, dessen Halbleiterkristall 2 mittels einer der Elektroden
3 und 4, nämlich der Elektrode 4, auf dem Gehäuseboden angelötet ist. Die Elektrode
3 ist über einen Bolzen 6 mit Schraubengewinde durch den Porzellanisolator 5 hindurch
aus dem Metallgehäuse 1 isoliert herausgeführt. Die Befestigung des ganzen Trockengleichrichters
an Gehäuseteilen kann daher günstig mittels der Bolzenelektrode erfolgen.
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Der Gehäuseboden weist ebenfalls einen gewindetragenden Stift 8 auf,
der von einer das entsprechende Muttergewinde tragenden Bohrung 9 in dem Kühlblock
7 aufgenommen wird. Der Kühlblock 7 trägt die Kühlscheiben 10, welche mit dem Trockengleichrichter
2-4 nur über den Kühlblock 7 in Verbindung stehen, nicht etwa auch durch direkte
Verbindung oder Berührung mit dem Metallgehäuse 1.
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Der Kühlblock 7 weist an seiner Mantelfläche 11 und an seiner Bodenfläche
12 ebene, in radialer Richtung angeordnete Kühlscheiben 10 auf, welche vom Kühlblockboden
bis zum Mantelende nach der Seite des Metallgehäuses 1 hin ohne Unterbrechung durchlaufen.
Es ist möglich, die Ausdehnung der Kühlscheiben 10 in axialer Richtung längs der
Bodenfläche des Kühlblockes 7 von der in radialer Richtung längs der Mantelfläche
des Kühlblockes 7 verschieden, beispielsweise kleiner zu wählen Die Kühlscheiben
10 schließen bei der Ausführungsform der Fig. 2 an dem vom Kühlblock 7 abgewandten
Ende des Trockengleichrichtergehäuses 1 mit dessen Endfläche nicht bündig ab, sondern
enden beispielsweise in einer Höhe von etwa fünf Sechstel der axialen Ausdehnung
des Trockengleichrichtergehäuses 1 vom Gehäuseboden ab. Eine solche Bemessung ergibt
eine Ausführung von verringertem Gewicht bei unverminderter Kühlleistung, denn der
Temperaturabfall längs der Kühlscheiben 10 in Richtung ihrer axialen Ausdehnung
ist bis zu dieser Stelle so groß, daß eine Wärmeweiterleitung durch eine vergrößerte
Ausdehnung der Kühlscheiben nur noch einen unerheblichen Beitrag zur Wärmeleitungsleistung
liefern würde.
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Fig.3 ist eine perspektivische, zum Teil schematische Darstellung
einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Trockengleichrichters nach Fig. 1.
Der Trockengleichrichter nach Fig.3 unterscheidet sich von der Fig. 1 zugrunde liegenden
Ausführung durch die axiale Ausdehnung der Kühlscheiben 10 in Richtung der vom Kühlblock
7 abgewandte Endfläche des Trockengleichrichtergehäuses 1.
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Die Kühlscheiben 10 erstrecken sich nicht wie in dem Beispiel in Fig.1
bis zu der Endfläche des Trockengleichrichtergehäuses 1, sondern enden etwa ein
Fünftel der Höhe des Trockengleichrichtergehäuses 1 von der die Elektrodenführung
5-6 aufweisenden Endfläche des Trockengleichrichtergehäuses 1 entfernt. Ihre radiale
Ausdehnung wird an
diesem Ende außerdem durch eine Abschrägung verkürzt.
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Der vorliegende Trockengleichrichter wird hauptsächlich so verwendet,
daß er in Betrieb von einem Luftstrom längs der Achse vom Trockengleichrichtergehäuse
und Kühlblock angeblasen wird. Statt einem Luftstrom kann auch irgendein anderes
strömendes Medium, z. B. umlaufendes Öl oder Wasser, zur Kühlung vorgesehen werden.