CH675033A5 - - Google Patents

Description

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CH 675 033 A5

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Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Leistungswiderstand gemäss den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 13.

Zurzeit werden Leistungswiderstände, insbesondere mit hoher Leistungsdichte und kleinem Corona-Effekt, unter Verwendung eines zylindrischen Keramikkörpers mit aufgewickeltem Widerstandsdraht hergestellt. Dieser gewickelte Widerstand wird in einem Metallgehäuse mit einem zylindrischen Loch montiert und vergossen. Die vom Widerstand erzeugte Wärme strahlt, zur Abführung, in radialer Richtung durch die Vergussmasse hindurch in das Metallgehäuse. Zum richtigen Abführen der durch die hohe Verlustleistung entstandenen Wärme ist es bei einem solchen Widerstand notwendig, dass die als Corona-Effekt bekannte Erscheinung auf ein Mindestmass zurückgeführt wird. Corona-Ef-fekte entstehen durch Spalten, Lücken oder andere Unregelmässigkeiten in der den Drahtwiderstand umgebenden isolierenden Masse. Solche Spalten, Lücken oder andere Unregelmässigkeiten bewirken Änderungen in der dielektrischen Charakteristik der Isoliermasse. Dadurch werden ionisierte, elektrische Ladungen in den durch die Spalten und Lücken gebildeten Hohlräume erzeugt und es können Spannungsdurchbrüche in der Isoliermasse erfolgen.

Zusätzlich zum Corona-Effekt können sich entlang von Lücken thermisch heisse Zonen bilden. Deshalb ist die Vermeidung von Spalten, Lücken oder anderen Unregelmässigkeiten im Übergang zur wärmeleitenden Masse wichtig für das richtige Funktionieren eines Widerstandes für hohe Leistungsdichte.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Widerstand für hohe Leistungsdichte und kleinem Corona-Effekt zu schaffen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, selbst dann einen kleinen Corona-Effekt zu bilden, wenn der Widerstand einer Hochspannung ausgesetzt ist.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Widerstand zu schaffen, um beim Abführen der Verlustwärme das Bilden von thermisch heissen Zonen, die entlang von Lücken, Spalten oder anderen Unregelmässigkeiten gebildet werden, auf ein Mindestmass zurückzuführen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen elektrischen Widerstand zu schaffen, der eine hohe Isolationsfestigkeit und eine beträchtliche physikalische Festigkeit aufweist, um Spannungsdurchbrüche und ungleiches Betriebsverhalten des Widerstandes zu minimalisie-ren.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Widerstand, der die Erzeugung einer hohen Verlustleistung in bezug auf seine äusseren Abmessungen erlaubt, mit kleiner Bauhöhe und mit der Möglichkeit von verschiedenartigen Anordnungen zusammen mit anderen elektrischen Bauelementen, mit denen er verwendet wird, zu schaffen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Widerstand mit hoher Leistungsdichte und kleinem Corona-Effekt mit niedriger Wärmeabgabe an die ihn umgebende Luft und mit maximaler Wärmeabgabe an einen Kühlkörper, auf welchem der Widerstand montiert ist, zu schaffen.

Der Widerstand soll wirtschaftlich in der Herstellung, dauerhaft in der Verwendung und leistungsfähig im Betrieb sein.

Die Erfindung löst diese Aufgaben anhand der kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 1 und 13.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Explosionszeichnung in perspektivischer Darstellung eines Widerstandes der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittzeichnung des erfindungsge-mässen Widerstandes,

Fig. 3 einen vergrösserten Ausschnitt entlang der Linie 3-3 der Fig. 2 im Schnitt und

Fig. 4 eine andere Ausführungsform der Erfindung in einem ähnlichen Schnitt, wie Fig. 2.

In den Zeichnungen ist mit dem Bezugszeichen 10 der Widerstand mit hoher Leistungsdichte und kleinem Corona-Effekt der vorliegenden Erfindung bezeichnet. Der Widerstand 10 umfasst ein im wesentlichen rechteckförmiges Substrat (12), welches eine obere Oberfläche (14) und eine untere Oberfläche (16) aufweist (Fig. 2). Die untere Oberfläche (16) und die obere Oberfläche (14) sind annähernd parallel zueinander und die Dicke des Substrates (12) beträgt vorzugsweise 1,016 mm (0,04 Inch) bis 0,524 mm (0,06 Inch). Das Substrat (12) sollte aus einem wärmeleitenden Isoliermaterial wie Aluminium- oder Berryliumoxid bestehen. Mit zunehmender Dicke des Substrates wird der Widerstand weniger leistungsfähig und mit abnehmender Dicke wird er leistungsfähiger, bis zu einer Dicke von ca. 1,016 mm (0,04 Inch), bei deren Unterschreitung ein Spannungsdurchbruch des Substrates während dem Betrieb des Widerstandes erfolgen kann. Die vier Ecken des Substrates weisen Löcher 18 zur Aufnahme von Schrauben 56 auf.

Auf der oberen Oberfläche 14 des Substrates 12 ist ein blattähnliches Widerstandselement 20 montiert. Das Widerstandselement 20 kann aus Widerstandsmaterial bestehen, welches auf dem Substrat aufgedruckt oder in anderer Weise befestigt ist. Es kann beispielsweise aus einer Folie bestehen, welche mit einem geeigneten Klebstoff auf die obere Oberfläche 14 des Substrates 12 geklebt ist.

Ebenfalls auf dem Substrat sind zwei als elektrische Leiter ausgebildete Anschlussflächen 22 aufgebracht, welche mit den Enden des Widerstandselementes 20 elektrisch verbunden sind. Die Anschlussflächen 22 können, wie in der Fig. 2 dargestellt, unter dem Widerstandselement auf das Substrast aufgedruckt sein oder sie können über dem Widerstandselement 20 aufgedruckt werden.

Die unteren Enden 28 von zwei elektrischen Anschlussdrähten 24, 26 sind mit je einer Anschluss5

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fläche 22 durch Löten, Schweissen oder ähnlichen Verfahren elektrisch verbunden. Die oberen Enden der Anschlussdrähte 24 und 26 sind mit je einem elektrischen Anschluss 30, 32 in Verbindung.

Über dem Substrat 12 ist ein isolierendes Plastikgehäuse 34 mit einer Deckwand 36 und mehreren Seitenwänden 38, deren untere Enden gegen die obere Oberfläche 14 des Substrates 12 stossen, montiert. Die Deckwand 36 des Gehäuses 34 besitzt zwei Durchgangslöcher 42 und 44, welche zur Aufnahme der oberen Enden der Anschlussdrähte 24 und 26 und zur Aufnahme und zur Befestigung und Sicherung der elektrischen Anschlüsse 30 und 32 ausgebildet sind.

In der Deckwand 36 befindet sich ein Füllloch 46, durch welches Ausguss- oder Vergussmasse 48 in den durch das Gehäuse 34 gebildeten Hohlraum 50 eingeführt wird. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, wird mit der Masse 48 vorzugsweise das untere Drittel des Hohlraumes 50 gefüllt. Es ist jedoch auch möglich, dass mit der Ausgussmasse 48 mehr oder weniger des Hohlraumes der Fig. 2 gefüllt wird. Beispielsweise kann die Masse 48 aus einer Schicht Isolierfarbe bestehen, die das Widerstandselement 20, die Anschlussflächen 22, die unteren Enden 28 der Anschlussdrähte 24 und 26 bedeckt. In einer anderen Ausführungsform kann der Hohlraum 50 durch eine Vergussmasse 48 vollständig ausgefüllt sein.

Eine leitfähige Schicht 52 ist an der unteren Oberfläche 16 des Substrates 12 befestigt und bedeckt diese vollständig. Für die vorliegende Erfindung ist es sehr wichtig, dass die Schicht 52 in engem Kontakt mit der unteren Oberfläche 16 des Substrates 12 ist, weil durch jegliche Lücken in der Verbindung zwischen der Schicht 52 und der unteren Oberfläche 16 Corona-Effekte während des Betriebes des Widerstandes entstehen. Solche Lücken bewirken eine andere Dielektrizitätskonstante als diejenige des Substrates 12, so dass dadurch die Luft in den Lücken ionisiert und ein Spannungsdurchbruch durch das Isoliermaterial ermöglicht wird. Solchen Lücken entlang können auch thermisch heisse Zonen entstehen, welche die Aufrechterhaltung der Leistung des Widerstandelementes 20 während dem Betrieb beeinflussen können. Aus diesen Gründen ist ein inniger Kontakt der leitfähigen Schicht 52 mit der unteren Oberfläche 16 des Substrates 12 für die vorliegende Erfindung wichtig. Dieser innige Kontakt kann durch Verwendung eines leitfähigen Anstriches zum Bilden der leitfähigen Schicht 52 erreicht werden. Der leitfähige Anstrich weist bevorzugte Füllstoffe wie Kohlenstoff oder Silber auf, welche das Elektrische- und Wärmeleitfähigkeitsvermögen der metallischen Schicht erhöhen. Es ist ebenfalls wichtig, dass die Schicht 52 aus elektrisch leitfähigem Material besteht. Der Grund dafür ist aus der Fig. 3 der Zeichnungen, welche ein vergrösserten Teilschnitt entlang der Linie 3-3 der Fig. 2 darstellt, ersichtlich. Unter dem Mikroskop betrachtet, hat die untere Oberfläche 16 des Substrates 12 viele in der Fig. 3 durch die Bezugsnummer 54 bezeichnete Vertiefungen. Um jegliche Lücken in der Verbindung der unteren Oberfläche 16 mit der leitfähigen

Schicht aufzuheben, ist es von Vorteil, wenn die leitfähige Schicht 52 diese Vertiefungen ausfüllt. Wenn die Schicht 52 durch ein Isoliermaterial gebildet wird, werden die Vertiefungen 54 mit einem Material, mit einer anderen Dielektrizitätskonstante als diejenige des aus keramischen Material bestehenden Substrates 12, ausgefüllt.

Durch diese zwei Materialien mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten können gleiche Corona-Effekte entstehen, wie sie entstehen, wenn die Vertiefungen nicht ausgefüllt sind. Die Verwendung einer elektrisch leitfähigen Schicht verhindert unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten und mini-malisiert die Wahrscheinlichkeit eines Corona-Ef-fektes und der darausfolgenden Instabilität oder Spannungsdurchbruchs des Widerstandes. Die Verwendung eines elektrisch leitfähigen Materials für die Schicht 52, so wie der innige Kontakt dieser Schicht 52 mit der unteren Oberfläche 16 des Substrates 12 sind wichtige Vorteile der vorliegenden Erfindung.

Vier Schrauben 56 reichen durch Schraubenlöcher 58 im Gehäuse 34 und durch Löcher 18 im Substrat 12 und halten das Gehäuse 34 über dem Substrat 12 fest. Die Schrauben 56 weisen im weiteren untere Enden 60 auf, welche unter der leitfähigen Schicht 52 vorstehen und zum Montieren des Widerstandes 10 auf einer Grundplatte 62 durch Montagelöcher in dieser Grundplatte 62 geführt sind. Zum Festhalten des Widerstandes auf der Grundplatte 62 sind an den unteren Enden 60 der Schrauben 56 vier Muttern 64 angebracht.

In Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung gezeigt und mit dem Bezugszeichen 66 gekennzeichnet. Der obere Teil des Widerstandes 66 ist zu dem in der Fig. 2 gezeigten Widerstand 10 identisch und gleiche Bezugsnummern kennzeichnen identische Teile. Der Hauptunterschied zwischen dem Widerstand 66 und dem in der Fig. 2 gezeigten Widerstand 10 ist der, dass der Widerstand 66 anstelle der Schicht 52 eine Kühlplatte 68 aufweist. Die Kühlplatte 68 ist mit der unteren Oberfläche 16 des Substrates 12 mit einem Klebemittel 70, welches einen engen Kontakt der Kühlplatte 68 zum Substrat 12 bildet, verbunden. Durch die Kühlplatte 68 erstrecken sich mehrere Wasserkanäle 72, die an ihren gegenüberliegenden Enden Anschlussstücke zum Anschliessen einer Quelle mit Kühlflüssigkeit wie Wasser enthalten. Das durch die Kanäle 72 fliessende Kühlmittel stellt eine weitere Möglichkeit dar, während des Betriebes des Widerstandes entstehende Wärme vom Widerstandselement 20 abzuführen.

Um im Widerstand ein Maximum an Verlustleistung zu erhalten, ist es manchmal wünschenswert, die Grundplatte 62 zu kühlen. Dies kann durch die Grundplatte zirkulierendes Wasser oder durch Verwendung eines Kühlsystems, durch zirkulierende Luft oder durch andere Kühlflüssigkeiten erreicht werden. Zirkulierendes Wasser wird am meisten angewendet. Um dies zu verwirklichen, können die Kanäle 72 und die Anschlussstücke 74 in der Grundplatte 62 anstelle in der Kühlplatte 68 angeordnet werden. Das Resultat der vorliegenden Erfindung ist ein Widerstand mit hoher Isolationsfe5

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stigkeit, mit einer hohen Verlustleistung relativ zu den Abmessungen, mit einem extrem kleinen Corona-Effekt und mit kleiner Erwärmungsrate der Umgebungsluft. Die Wärmeabfuhr geschieht hauptsächlich durch das Substrat 12, durch die metallische Schicht 52 (oder durch die Kühlplatte 68) und durch die Grundplatte 62. Dies minimalisiert eine Erwärmung der den Widerstand umgebenden Luft.

Das Gehäuse 34 und die Vergussmasse 48 bewirken physikalisch eine Verstärkung des Widerstandselementes 20 und der Anschlussdrähte 24 und 26 zu den Anschlussflächen 22.

Die Tatsache, dass die elektrischen Anschlüsse 30, 32 an der oberen Oberfläche des Gehäuses 34 montiert sind, erlaubt viele unterschiedliche Anordnungen des Gehäuses 34 unter Beibehaltung der Anpassungsfähigkeit, mit welcher die Anschlüsse 30 und 32 mit anderen Komponenten im Stromkreis verbunden werden können. In früheren Ausführungen wurden die zwei Anschlussdrähte axial zu den Widerstandsenden ausgeführt, was eine Herabsetzung der Anordnungsmöglichkeiten des Widerstandes in einem Stromkreis zur Folge hatte.

Die vorliegende Erfindung beschreibt einen rechteckförmigen Widerstand mit kleinem Querschnitt, dessen Dicke wesentlich kleiner ist, als diejenige von in Metallgehäusen untergebrachten Hochleistungswiderständen bekannter Art.

Bevorzugte Materialien für die verschiedenen Komponenten sind:

die metallische Schicht 52 ist ein leitfähiges Spraymittel, das Füllstoff wie Kohlenstoff oder Silber enthält.

Ein solches Produkt wird beispielsweise durch Acheson Colloids Co. of Port Huron, Michigan unter der Bezeichnung Aerodag G. fabriziert.

Das Widerstandselement 20 kann aus einer aufgedruckten, leitfähigen Schicht oder aus einer Folie, die auf das Keramiksubstrat aufgeklebt ist, bestehen.

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Leistungswiderstand (10) zum Montieren auf einer als Kühlkörper dienenden Grundplatte (62), dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch isolierendes, wärmeleitendes Substrat (12) eine obere Oberfläche (14) und eine untere Oberfläche (16) aufweist und dass die untere Oberfläche (16) im wesentlichen eine Ebene mit vielen mikroskopisch kleinen Vertiefungen (54) ist; dass ein aus einem dünnen Film von elektrisch leitfähigem Material bestehendes Widerstandselement (20) auf der oberen Oberfläche (14) des Substrates (12) montiert ist und dass das Widerstandselement (20) in engem Kontakt zum Substrat (12) steht; dass zwei getrennte, auseinanderliegende elektrische Anschlussdrähte (24, 26) mit je einem ersten (28) und zweiten Ende (30, 32) mit dem Widerstandselement (20) elektrisch verbunden sind; dass elektrisch isolierendes Material (48) das Widerstandselement (20) und die ersten Enden (28) der zwei Anschlussdrähte (24, 26) zum physikalischen und konstruktiven Schutz und zum Schutz gegen Umwelteinflüsse überdeckt und dass die zweiten Enden (30, 32) der Anschlussdrähte aus dem isolierenden Material (48) heraustreten; dass eine elektrisch ieitfähige Schicht (52) auf der unteren Oberfläche (16) des Substrates (12) zum Auffüllen der mikroskopisch kleinen Vertiefungen (54) und zum Ausschliessen von Lücken zwischen der unteren Oberfläche (16) und der leitfähigen Schicht (52) in engem Kontakt befestigt ist; und dass Befestigungsmittel (56) zum Befestigen des Substrates (12) auf der als Kühlkörper dienenden, mit der elektrisch leitfähigen Schicht (52) in wärmeleitendem Kontakt stehenden Grundplatte (62) vorhanden sind.

   2. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (34) mit einer Deckwand (36), mit mehreren Seitenwänden (30) und mit einem offenen Unterteil (40) einen Hohlraum (50) bildet und dass das Gehäuse (54) mit den Befestigungsmitteln (56) auf dem Substrat (12) zum Überdecken des Widerstandselementes (20) und des elektrisch isolierenden Materials (48) befestigt ist.

   3. Widerstand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (34) zwei Durchgangslöcher (42, 44) aufweist, dass die zweiten Enden (30, 32) der zwei Anschlussdrähte (24, 26) durch diese Durchgangslöcher (42, 44) auf die Aussenseite des Gehäuses (34) herausragen und dass die ersten Enden (28) der Anschlussdrähte sich im Hohlraum (50) befinden.

   4. Widerstand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (34) ein Füilloch (46) zum Ausgiessen des Hohlraumes (50) mit dem elektrisch isolierenden Material (48) aufweist, nachdem das Gehäuse (34) mit den Befestigungsmitteln (56) auf dem Substrat (12) befestigt worden ist.

   5. Widerstand nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das isolierende Material (48) aus einer isolierenden Vergussmasse zum zumindest teilweisen Auffüllen des Hohlraumes (50) besteht.

   6. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandselement (20) auf die obere Oberfläche (14) des Substrates (12) durch Aufdrucken angebracht ist.

   7. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandselement (20) eine Metallfolie umfasst, die mit Klebemitteln (70) auf der oberen Oberfläche (14) des Substrates (12) befestigt ist.

   8. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Oberfläche (14) und die untere Oberfläche (16) des Substrates (12) im wesentlichen parallel zueinander sind und dass das Substrat (12) eine Dicke zwischen 1,016 mm (0,04 Inch) und 1,524 mm (0,06 Inch) aufweist.

   9. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (12) aus einem elektrisch isolierenden und wärmeleitfähigen Material hergestellt ist, insbesondere einem Material aus der Gruppe der Aluminium- und Berryliumoxide.

   10. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Schicht (52) aus einem elektrisch leitfähigen Anstrich auf der unteren Oberfläche (16) des Substrates (12) besteht.

   11. Widerstand nach Anspruch 10, dadurch ge-

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   kennzeichnet, dass der leitfähige Anstrich elektrisch leitfähige insbesondere Kohlenstoff und Silber enthaltende Füllstoffe, aufweist.

   12. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Schicht (52) einen metallischen Anstrich umfasst.

   13. Leistungswiderstand (10) zum Montieren auf einer als Kühlkörper dienenden Grundplatte (62), dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch isolierendes, wärmeleitendes Substrat (12) eine obere Oberfläche (14) und eine untere Oberfläche (16) aufweist und dass die untere Oberfläche (16) im wesentlichen eine Ebene mit vielen mikroskopisch kleinen Vertiefungen (54) ist; dass ein aus einem dünnen Film von elektrisch leitfähigem Material bestehendes Widerstandselement (20) auf der oberen Oberfläche (14) des Substrates (12) montiert ist und dass das Widerstandselement (20) in engem Kontakt zum Substrat (12) steht; dass zwei getrennte, auseinanderliegende elektrische Anschlussdrähte (24, 26) je ein erstes (28) und zweites Ende (30, 32) aufweisen und dass die ersten Enden (28) mit dem Widerstandselement (20) elektrisch verbunden sind; dass elektrisch isolierendes Material (48) das Widerstandselement (20) und die ersten Enden (28) der zwei Anschlussdrähte (24, 26) zum physikalischen und konstruktiven Schutz und dass die zweiten Enden (30, 32) der Anschlussdrähte aus dem isolierenden Material (48) heraustreten; dass eine elektrisch leitfähige Schicht (52) eine obere und eine untere Oberfläche aufweist und dass die elektrisch leitfähige Schicht (52) mit ihrer oberen Oberfläche auf der unteren Oberfläche (16) des Substrates (12) mit Befestigungsmitteln (56) so befestigt ist, dass zwischen den beiden Oberflächen eine gute wärmeleitende Verbindung besteht.

   14. Widerstand nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel (56) aus einem Klebemittel (70) besteht.

   15. Widerstand nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Schicht (52) aus einer Kühlplatte (68) mit mehreren Kühlkanälen (72) besteht und dass die Kühlkanäle über die Kühlplatte herausragen und Anschlussmittel (74) zum Anschluss an eine Quelle mit Kühlmitteln aufweisen.

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