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Luftgekühlte Halbleiter-Gleichrichtersäule mit plattenförmigen Gleichrichterelementen
Luftgekühlte Halbleiter-Gleichrichtersäulen mit plattenförmigen Gleichrichterelementen,
insbesondere Selenplatten, für höhere Leistungen sind bisher in der Regel so gebaut,
daß die Platten parallel und mit Abstand voneinander auf einem oder mehreren Bolzen
befestigt sind. Diese Säulen werden derart gekühlt, daß die Kühlluft vertikal zwischen
den Platten der horizontal liegenden Säule hindurchströmt und die Platten unmittelbar
bestreicht.
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Es ist ferner bekannt, eine Gleichrichtersäule mit Selen- oder Kupferoxydul-Gleichrichterelementen
in einem abgeschlossenen, zylindrischen Gehäuse unterzubringen, das mit Kühlrippen
versehen ist, deren Ebenen senkrecht zur Säulenachse liegen. Eine Kühlung der Säule
ist hierbei nur durch einen senkrecht zur Säulenachse geführten Luftstrom möglich.
Bei einer weiteren bekannten Anordnung ist eine Selen-Gleichrichtersäule in einem
zylindrischen Behälter angeordnet, der mit Kühlflüssigkeit gefüllt ist. Der Behälter
wird seinerseits durch einen Luftstrom gekühlt, der seine Mantelfläche bestreicht
und durch einen den Flüssigkeitsbehälter umgebenden Zylindermantel geführt ist.
Eine derartige indirekte Kühlung erfordert einen hohen Aufwand.
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Bei Gleichrichteranordnungen mit einkristallinen Halbleiterelementen,
z. B. Silizium-Gleichrichtern, die in ihrer betriebsfertigen Form gekapselt sind,
hat man bereits die Kapseln in becherförmigen Vertiefungen von Kühlblechen versenkt
und mehrere dieser Anordnungen axial übereinander zu einer Säule zusammengefaßt.
Auch hierbei ist eine Kühlung der Säule nur durch einen senkrecht zur Säulenachse
geführten Luftstrom möglich.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine luftgekühlte Halbleiter-Gleichrichteranordnung
mit einer Säule aus parallel zueinander angeordneten plattenförmigen Gleichrichterelementen,
insbesondere Selenplatten, die von einem zylindrischen Mantel zur Führung der Kühlluft
umgeben ist. Sie besteht darin, daß jede Gleichrichterplatte oder jeweils eine Teilgruppe
von aufeinanderliegenden Platten mit dem Boden eines topfförmigen metallischen Kühlorgans
flächenhaft in Wärmekontakt steht und daß die Topfwände an ihrem Umfang mit etwa
radial angeordneten Kühlblechen versehen sind, deren Oberflächen sich in Richtung
des Kühlmittelstromes erstrecken. Hierdurch wird eine Gleichrichtersäule mit in
betriebsfertigem Zustand plattenförmigen Gleichrichterelementen geschaffen, die
durch einen parallel zu ihrer Achse fließenden Kühlluftstrom gekühlt werden kann.
Dadurch wird bereits bei Säulen, die durch natürlich Konvektion der Luft gekühlt
werden, eine erhebliche Raumersparnis erzielt, da die Säulen vertikal aufgestellt
werden können. Bei Anordnungen mit einem Lüfter kommt hinzu, daß die Säule unmittelbar
anschließend an die Lüfterschraube und koaxial mit dieser angeordnet werden kann,
so daß die bisher erforderlichen übergangskanäle, die von dem kreisförmigen Kühlkanalquerschnitt
im Bereich der Lüfterschraube zu dem rechteckigen Querschnitt der bisherigen Säulen
überleiten, entfallen. Bei Säulen mit einem Lüfter wird es ferner möglich, wesentlich
höhere Luftgeschwindigkeiten (bis zu etwa 15 m/s) zu verwenden, da die Gleichrichterplatten
nicht mehr unmittelbar von dem Kühlluftstrom getroffen werden, so daß die Gefahr
einer Beschädigung durch vom Luftstrom mitgeführte Staubteile nicht mehr besteht.
Es ist sogar möglich, die Platten innerhalb der Töpfe z. B. durch Vergießen mit
einem Kunststoff vollständig gegen die Umgebung abzuschließen, ohne daß ihre Kühlung
beeinträchtigt wird.
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Bei den bisher üblichen Säulen wurde der elektrische Strom den Platten
durch zentrale, in unmittelbarer Umgebung des Haltebolzens angeordnete Kontaktorgane
relativ kleinen Durchmessers zugeführt, da möglichst die gesamte Oberfläche der
Platte für ihre Kühlung frei gehalten werden mußte. Das hatte zur Folge, daß für
die peripheren Plattenteile ein nicht unerheblicher Querwiderstand (parallel zur
Plattenebene) der Elektroden des Gleichrichtersystems, insbesondere der Deckelektrode,
wirksam wurde. Bei der vorliegenden Gleichrichtersäule ist es demgegenüber möglich,
den Kontakt- und Montagedruck zwischen den Elementen der Säule durch ringförmige
Abstandsstücke zu übertragen, deren Durchmesser gleich einem beträchtlichen Bruchteil,
z. B.
etwa der Hälfte der Plattenbreite ist. Dadurch wird die Verteilung
des Durchlaßstromes über die gesamte Plattenfläche weitgehend vergleichmäßigt. Da
bei der vorliegenden Säule eine Vergrößerung der Kontaktfläche ohne Beeinträchtigung
der Kühlung ohne weiteres möglich ist, kann man auch mit einem entsprechend geringeren
Kontaktdruck, also einer geringeren mechanischen Belastung der Sperrschicht pro
Flächeneinheit, auskommen. Dies ist von erheblichen Vorteil, da die Sperrströme
der hier in Frage kommenden Gleichrichter bei Druckbelastung der Sperrschicht zunehmen.
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Die vorliegende Ausbildung einer Gleichrichteranordnung ist mit Vorteil
anwendbar für Gleichrichter, die in Verbindung mit einer Wechselstromlichtmaschine
für Kraftfahrzeuge arbeiten. Sie ermöglicht eine raumsparende Kombination des Gleichrichters
mit dem Generator, bei der die Lüfterschraube unmittelbar auf der Achse der Lichtmaschine
angeordnet ist und die Gleichrichtersäule praktisch ohne Abstand koaxial vor dem
Lüfter liegt. Derselbe Lüfter kann dann gleichzeitig für die Kühlung des Generators
dienen.
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Die Fig. 1 und 2 zeigen als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine
Gleichrichtersäule mit einem Lüfter, und zwar Fig. 1 einen Aufriß der Anordnung,
teilweise im Schnitt, und Fig. 2 einen Schnitt durch die Anordnung nach Fig. 1 längs
der Linie 11-II. In Fig. 3 sind Einzelheiten der Anordnung nach Fig. 1 in vergrößertem
Maßstab dargestellt.
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In den Fig. 1 und 2 ist die gesamte Gleichrichtersäule mit 1 bezeichnet.
Sie weist sechs Selenplatten 11 auf, die beispielsweise zu einer Drehstrom-Brückenschaltung
vereinigt sein können. Die Platten 11 werden durch einen zentralen Bolzen 2 zusammen-
; gehalten. Jede Platte liegt in einem Topf 3, mit dessen Boden sie in flächenhaftem
Wärmekontakt steht. Der Rand jedes Topfes 3 ist mit radialen Kühlblechen 4 versehen.
Die Kühlbleche jedes Topfes werden außen durch einen besonderen Ring 5 umschlossen,
mit dem ein elektrischer Anschluß 6 verbunden ist. Die Anschlüsse 6 vermitteln die
Stromzuführung zu den unteren, mit den Topfböden in Kontakt stehenden Trägerplatten
der Selen-Gleichrichterelemente. Die Stromzuführungen zu den Deckelektroden der
Gleichrichterelemente werden durch Anschlußfahnen 17 gebildet, die später näher
beschrieben werden. Die gesamte Säule wird in einen zylindrischen Mantel ? eingesetzt;
zur Führung und Halterung der Säule sind an der Innenwand des Mantels 7 Isolierstoffkörper
S ; und 9 vorgesehen. Die Töpfe 3 und die Kühlbleche 4 bestehen aus gut wärmeleitendem
Metall, vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium.
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Am unteren Ende der Säule ist ein Lüfter 21 angebaut, der Luft durch
die Zwischenräume zwischen ; den Kühlblechen 4 hindurchbläst. Oberhalb der Säule
kann noch ein Diffusor 22 angebaut sein. Die während des Betriebes von den Selenplatten
11 entwickelte Verlustwärme fließt über die Böden und die Wandungen der Töpfe 3
an die Kühlbleche 4 ab, von f denen sie an den Kühlluftstrom weitergegeben wird.
Aus Fig. 1 geht hervor, d'aß der vom Lüfter 21 erzeugte Luftstrom die Gleichrichterplatten
11 nicht berührt, so daß eine Beschädigung der Selenplatten durch vom Luftstrom
mitgeführte Staubteilchen unmöglich ist.
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In Fig. 3 ist der mechanische Aufbau der Säule 1 im einzelnen dargestellt.
Die Säule 1 wird durch den metallischen Bolzen 2 und die Muttern 2a und
2b zusammengehalten. Auf den Bolzen 2 ist ein Isolierstoffrohr 10 aufgeschoben.
Die Gleichrichterplatben 11 haben zentrale Öffnungen, durch die der Bolzen 2 und
das Isolierrohr 10 hindurchtreten.
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Jeder Selenplatte 11 ist ein Topf 3 zugeordnet, von dem in Fig. 3
nur der zentrale Teil des Bodens zu sehen ist. Die einzelnen Selenplatten 11 mit
zugeordneten Töpfen 3 sind durch Abstandsstücke 12 voneinander getrennt, die als
Ringe aus Isolierstoff ausgebildet sind. Die Ringe 12 sind auch in den Fig. 1 und
2 erkennbar; ihr Durchmesser ist etwa gleich der halben Plattenbreite. Zwischen
den Ringen 12 und den Deckelektroden der Selenplatten 11 liegen jeweils Anschlußbleche
17, die in nach außen geführte Anschlußfahnen 17a auslaufen. Die Anschlußbleche
17 haben Ringform und mindestens den Durchmesser der Abstandsstücke 12. Mit 13,
14 und 15 sind Abschlußplatten der Säule, mit 16 Federringe bezeichnet.
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Insbesondere aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß sich die gesamte Spannung,
die durch den Bolzen 2 auf die Elemente der Säule ausgeübt wird, auf verhältnismäßig
große ringförmige Bereiche der Plattenoberfläche, die durch die Form der Abstandsstücke
12 bestimmt werden, verteilt. Der spezifische Kontakt-und Montagedruck, der auf
die Gleichrichterplatten ausgeübt wird, ist daher verhältnismäßig gering. Es ist
an sich bekannt, bei Selen-Gleichrichterplatten diejenigen Stellen, die bei dem
betriebsfertig montierten Element einem Kontakt- oder Montagedruck ausgesetzt sind,
durch Einfügen einer Isolierschicht in das Schichtsystem des Gleichrichters, z.
B. zwischen Selenschicht und Deckelektrode, von der aktiven Gleichrichterfläche
auszuschließen, da die Sperrfähigkeit des Gleichrichterelementes durch Druckbelastung
der Sperrschicht nachläßt. Man kann diese Maßnahme auch bei der vorliegenden Gleichrichteranordnung
anwenden, indem man die Gleichrichterplatten 11 an den Stellen, die unter dem Druck
der Abstandsringe 12 stehen, mit einer Isolierschicht, z. B. zwischen Deckelektrode
und Selenschicht, versieht. Es gehört jedoch zu den Vorteilen der Erfindung, daß
wegen der geringen Druckbelastung der Abnahmeelektroden 17 die spezifischeDruckbelastung
der Sperrschicht ohnehin gering ist, so daß es möglich ist, auch einfache aufgebaute
Selenelemente ohne zwischengeschaltete Isolierschicht für den Aufbau einer Säule
nach der Erfindung zu verwenden.