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Metalldampf. oder Gasentladungsapparat mit Wandungen aus metallenem Werkstoff.
Die Erfindung betrifft einen Metalldampf-oder Gasentladungsapparat mit Wandungen aus metallenem Werkstoff, insbesondere einen Vakuumapparat mit aggressive Dämpfe oder Gase enthaltenden oder entwickelnden Stoffen, u. zw. namentlich metallene Gefässe oder Gefässteile für Quecksilberdampfgrossstromrichter.
Als Werkstoffe für Stromrichtergefässe verwendet man bisher entweder Isolierwerkstoffe, beispielsweise Glas, oder aber Metalle, vorzugsweise Eisen. Aus Isolierwerkstoff, namentlich aus Glas bestehende Gefässe von Entladungsapparaten haben den Vorteil, dass sie praktisch vollkommen gasdicht sind und eine hohe Reinheit des Vakuums verbürgen, ohne dass sie während des Betriebes an eine Vakuumpumpe angeschlossen sein müssen. Solche Gefässe haben jedoch den Nachteil, dass sie in mechanischer und thermischer Hinsicht vielfach nicht widerstandsfähig genug sind und sich aus diesem Grunde für Aggregate hoher Leistungen und grosser Ausmasse nicht eignen. Diese Nachteile kommen bei Gefässen aus Metall, beispielsweise bei Eisengefässen, in Fortfall.
Eisengefässe jedoch haben wiederum den Nachteil, dass sie sehr schwer in ausreichendem Masse gas-und vakuumdicht gemacht werden können, selbst wenn man sie während des Betriebes dauernd an einen Vakuumerzeuger anschliesst. Gefässwände aus Metall enthalten in nicht unerheblichem Masse Gase und Fremdkörper, die namentlich bei dickwandigen Eisengefässen während des Betriebes der Entladungsapparate, selbst nach sorgfältiger Vorbehandlung, wie Ausheizen u. dgl., in den Entladungsraum treten und hier zu einer Verminderung der Güte des Vakuums und zu Verunreinigungen führen. Diese Erscheinungen sind bei Entladungsapparaten grosser Leistung in besonderem Masse nachteilig, da bei solchen Apparaten infolge mangelhafter Evakuierung die Betriebssicherheit besonders stark gefährdet und hiedureh die Lebensdauer der Apparate verringert wird.
Es sind bereits Vorschläge dahingehend gemacht worden, die erwähnten Nachteile metallener Gehäuse von Entladungsgefässen dadurch zu vermindern, dass man an den Innenseiten der Gefässe Überzüge aus Emaille anbringt. Diese Überzüge erweisen sich jedoch in der Praxis nicht als brauchbar genug, da sie in chemischer, thermischer und mechanischer Hinsicht nicht widerstandsfähig genug sind, um zu verhindern, dass sich schon nach verhältnismässig kurzer Betriebsdauer an diesen Überzügen Risse zeigen, durch die dann die in der metallenen Gefässwand befindlichen Stoffe in den Entladungsraum gelangen. Nicht nur Quecksilberdämpfe, sondern namentlich auch Alkali-und Erdalkalidämpfe greifen solche Überzüge an. Ausserdem splittern die Emailleüberzüge während des Betriebes ab und führen zur Verunreinigung des flüssigen Metallvorrates.
Da Emaille bei verhältnismässig niedrigen Temperaturen schmilzt, tritt unter dem Einfluss der hohen Temperaturen des Lichtbogens leicht ein Anschmelzen oder ein Durchschmelzen bis zu der Metallschicht während des Betriebes ein.
Bei aus Metall bestehenden Gefässen sind noch weitere Schwierigkeiten zu berücksichtigen. Gefässe aus vakuumdichten Metallen, wie Kupfer, Nickel u. dgl., werden von Quecksilberdämpfen unter Amalgambildung stark angegriffen. Gefässe aus Eisen sind zwar quecksilberbeständig, sie haben jedoch ausser den oben erwähnten Eigenschaften, Fremdkörper während des Betriebes abzugeben, den Nachteil, dass sie für gewisse Gase in hohem Masse durchlässig sind. So zeigt es sich z. B., dass Wasserstoff noch durch verhältnismässig dicke Eisengefässe hindurchtritt. Bei Vakuumgefässen wird der Wasserstoff von aussen her durch aus Eisen bestehende Gefässwände gleichsam hindurchgesaugt.
Gemäss der Erfindung werden Metalldampf-oder Gasentladungsapparate mit Wandungen aus metallenem Werkstoff, insbesondere Quecksilberdampfstromrichter, dadurch verbessert, dass die metallenen
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Wandungen aus mindestens zwei verschiedenartigen Werkstoffen zusammengesetzt sind und dass hiebei der innere Wandungsteil aus einem gegen aggressive Dämpfe und Gase unempfindlichen Metall, z. B. Eisen, besteht, während der nach aussen folgende Wandungsteil aus gas-und vakuumdiehtem Werkstoff, insbesondere einem mit Isolierwerkstoffen, wie Glas, Porzellan od. dgl., verlöt-oder verschmelz- barem Metall, wie beispielsweise Nickel, Kupfer od. dgl., gebildet wird.
Es empfiehlt sich natürlich, Mittel zum Schutz dieser Schicht lötfähigen Metalls vorzusehen.
Man wendet entweder starke örtliche Kühlung an oder sieht besondere Schutzschichten oder Schutzkörper vor. Man kann z. B. die Eisen-und Porzellanteile mit Nasen versehen, die die Kupferteile überdecken und verhindern, dass flüssiges Kondensatquecksilber mit dem Kupfer in Berührung kommt. Zum Schutz gegen die Quecksilberdämpfe kann man Vordichtungen aus Asbest, Glaswolle u. dgl. oder aber örtliche Glas- oder Emailleüberzüge verwenden. Diese Schutzkörper brauchen selbstverständlich nicht zu dichten, da zur Dichtung ausschliesslich die erwähnte Schicht lötfähigen Metalls dient. Als Werkstoff für die metallenen Wandungen eignen sich übrigens in besonderem Masse Chrom-NickelLegierungen, die bekanntlich von Queeksilberdämpfen u. dgl. praktisch überhaupt nicht angegriffen werden.
Auch Molybdänschichten oder-überzüge sind in diesem Zusammenhang mit Vorteil verwendbar.
Man kann den inneren Wandungsteil auch aus einem dicken, die beim Entladungsapparat auftretenden mechanischen Kräfte aufnehmenden Eisenmantel herstellen, auf dessen Aussenseite ein Kupfermantel aufgebracht ist. Eine solche Ausgestaltung der Wandung bietet den Vorteil, dass der einmal sorgfältig entgaste Eisenmantel durch von aussen her nachziehende Gase, insbesondere Wasserstoffgase, nicht verunreinigt wird, da diese von dem auf seiner Aussenseite'angebrachten Kupfermantel zurückgehalten werden. Man kann die Anordnung auch so treffen, dass der innere Wandungsteil aus einem dünnen Eisenmantel besteht, auf dessen Aussenwand ein Kupfermantel aufgebracht ist, der seinerseits die innere Verkleidung eines die beim Entladungsapparat auftretenden mechanischen Kräfte aufnehmenden dicken Eisengehäuses bildet.
Eine solche Anordnung bietet den Vorteil, dass verhältnismässig wenig Eisen entgast. werden muss. Die Ausheizungsleistung ist verhältnismässig gering. Ausserdem wird die Ausheizung dadurch begünstigt, dass der auf der Aussenseite des dünnen Eisenmantels angebrachte Kupfermantel zufolge seiner hohen Wärmeleitfähigkeit seinerseits die Ausheizung des Eisenmantels von aussen her begünstigt.
Die aus verschiedenartigen Werkstoffen bestehenden Wandungsteile werden vorteilhaft unter Anwendung von Druck miteinander baulich vereinigt. Entweder spritzt man eines der miteinander zu verbindenden Metalle auf das andere Metall auf oder aber man wendet Walzverfahren an und vereinigt beide Metallschichten in einem einzigen Arbeitsprozess. Der aus gas-oder vakuumdichtem Werkstoff, beispielsweise aus Kupfer, bestehende Wandungsteil eignet sichin besonderem Masse zur Aufnahme vonEinschmelzungen,.
Elektrodendurchführungen usw. Der Wandungsteil, der aus gas-oder vakuumdichtem Werkstoff besteht,. ist vorteilhaft mit aus Isolierwerkstoff bestehenden Gefässteilen, beispielsweise mit Kathoden-oder Anodenisolatoren oder aber mit einem aus Isolierwerkstoff bestehenden Kathodenbehälter verschmolzen oder verlötet. Auf diese Weise wird eine vollkommen vakuum-und gasdichte Verbindung der einzelnen Teile erreicht. Besonders vorteilhaft ist die neue Ausgestaltung der Gefässwände für die Wandungen von Anodenarmrohren.
In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele dargestellt. Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Quecksilberdampfstromrichter, Fig. 2 zum Teil die Ansicht einer andern Ausführungsform, Fig. 3 und 4 in grösserem Massstab Gefässwandschnitte, Fig. 5-8 Uberzugsstellen zwischen Metallwand und Isolierteilen in verschiedenen Ausführungsformen.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 hat der Gleichrichter 1 ein aus Eisen bestehendes Vakuumgefäss 2, dessen Aussenwand mit einer Kupferverkleid ung 3 versehen ist. Der ebenfalls aus Eisen bestehende Kathodenbehälter 4 hat eine Kupferverkleidung 3. Die Kupferverkleidungen 3 sind mit dem Kathoden-
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Ausführungsform im Innern einer Eisenkappe 7, die von dem Eisengefäss 2 mittels des Anodenisolators elektrisch getrennt ist. Auch die Kappe 7 hat einen Kupferüberzug 3, der ebenso wie der Kupferüberzug J des Hauptgefässes mit dem Anodenisolator 8 verschmolzen oder verlötet ist. Auf der rechten Seite der Fig. 1 ist eine andere Ausführungsform des Anodenarmrohres dargestellt.
Unterhalb der Kappe 7 liegt ein metallener, das Gitter 9 tragender Ring. M, der entweder selbst aus gas-oder vakuumdiehtem Metall besteht oder aber wiederum mit einer gas-und vakuumdiehten Metallschicht, beispielsweise einer Kupferschicht, auf der Aussenseite versehen ist. Der Ring 10 ist mittels
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besteht ebenfalls aus einer mit einem Kupferüberzug versehenen Eisenkappe. Der Kondensationsdom kann mit Einbuchtungen, wie Taschen od. dgl., versehen sein, um eine Vergrösserung der wirksamen,. zur Kondensation dienenden Oberfläche im Innern des Gleichrichters zu erreichen. Der neue Wandungwerkstoff lässt eine solche Ausgestaltung des Kondensationsdomes zu, ohne dass eine wesentliche Verteuerung des Stromrichteraggregates hiedurch bewirkt-wird.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2, die schematisch wiederum einen Quecksilber-Dampfgross- stromrichter darstellt, besteht die Gefässwandung aus drei Lagen, nämlich einer inneren dünnen Eisenlage 14, einer mittleren Metallage aus Kupfer 15 und einer stärkeren, die mechanischen Kräfte aufnehmen-
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den eisernen Aussenwand 16. Der Kathodenbehälter 17 besteht bei dieser Ausführungsform aus Isolierwerkstoff und ist mit der kupfernen Zwischenschicht 15 vakuumdicht verschmolzen oder verlötet. Der Kathodenbehälter kann aus Glas, Porzellan oder ähnlichem Werkstoff bestehen. Wie man aus der Zeichnung ersieht, ruht der dickwandige Eisenbehälter des Vakuumgefässes auf Füssen 18.
Diese Ausführungsform bietet die Möglichkeit, das Gewicht der Wandungen des Stromrichtergefässes auf ein Mindestmass herabzusetzen. Als Gefässwand genügt ein dünnes Eisenblech 14 und ein dünnes Kupferblech 15. Der aus stärkerem Material bestehende Eisenkörper 16 dient lediglich als Tragorgan und braucht nicht vollwandig ausgeführt zu sein. Der Eisenkörper 16 kann in Form eines aus Eisen gegossenen Korbes ausgeführt sein oder aber aus einzelnen Eisenstäben gebildet werden, deren Lage und Anordnung so getroffen ist, dass der Vakuumbehälter, der aus den Teilen 14 und 15 besteht, sicher gehalten wird, ohne dass Deformationen eintreten. Der Vakuumbehälter ist zweckmässig an dem Traggerüst in irgendeiner Weise befestigt.
Eine besonders hohe Festigkeit erzielt man, wenn man dem Vakuumgefäss 14, 15 Flächen gibt, die sich der Form von Kugelsehalen nähern. Die Anoden, die in dem Ausführungsbeispiel nicht dargestellt sind, können von dem Tragteil 16 aus gehaltert werden. Es sind dann lediglich vakuumdichte Schmelzdurchführungen durch das dünnwandige Stromrichtergefäss erforderlich.
In den Fig. 3 und 4 sind die Wandungen der Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 und 2 im Ausschnitt in grösserem Massstab dargestellt.
Fig. 3 zeigt die aus Eisen bestehende Innenwand 2, auf deren Aussenseite die Kupferlage 3 angebracht ist. Nach Fig. 4 ist die Innenwand 14, vergleiche Fig. 2, sehr dünn und besteht aus Eisen. Die Kupferschicht ist auch hier wieder mit 15 bezeichnet und der tragende Eisenkörper mit 16. In den Fig. 5-8 sind Übergangsstellen zwischen Metallwand und Isolierteilen in verschiedenen Ausführungsformen dargestellt.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 stösst die aus den Eisenteilen 21 und 22 bestehende Gefässwand mit der aus Kupfer bestehenden Lage 23 stumpf auf den Isolierkörper 24 auf. Am unteren Ende der Kupferlage 23 ist ein Blech 25 angebracht, vorzugsweise angeschweisst, dessen aus der Wand herausragender Rand 26 umgebogen und mit dem Isolierkörper 24 verschmolzen ist. Bei dieser Ausführungsform ruht die aus den Teilen 21, 22 und 23 zusammengesetzte Gefässwand auf dem Isolator 24, beispielsweise im Kathodenisolator, an den sich in entsprechender Weise der Kathodenbehälter anschliesst. Das Hauptgefäss ruht hiebei mitsamt dem Kathodenisolator auf dem erwähnten Kathodenbehälter. Will man den Kathodenbehälter entlasten, so kann man die in Fig. 6 angegebene Ausführungsform wählen.
Das mit der Kupferlage 23 verbundene Kupferblech 25 wird hier unmittelbar in die Wand 27 des aus Isolierwerkstoff bestehenden Kathodenbehälters geführt. In Fig. 7 ist die Verbindung der dreiteiligen Gefässwand mit einem Glaskörper 28 dargestellt. Das Glas ist auf der Innenseite, wie man aus der Zeichnung ersieht, bis auf die Eisenschicht 22 hoehgezogen, so dass die Kupferlage 23 mit dem Innern des Gefässes nicht in Berührung kommen kann.
In Fig. 8 wurde eine andere Form der Verbindung des Kupferbleches 25 mit der Kupferlage 23 gewählt. Das Blech 25 ist in eine in dem Eisenmantel 21 befindliche Nut 29 eingelassen und parallel zu der Kupferlage 23 mit dieser verschweisst.
Es wurde bereits oben erwähnt, dass es empfehlenswert ist, die gas-und vakuumdichte Metallschiebt auf die gegen aggressive Dämpfe unempfindliche Metallschicht unter Druck aufzubringen, aufzuspritzen, aufzuwalzen oder aufzuschmelzen. Besonders einfach gestaltet sich auch das Aufbringen dieser Schicht durch Eintauchen des vorteilhaft vorher sorgfältig gereinigten Eisenkörpers in ein flüssiges Bad des Überzugsmetalls. Es ist beim Überziehen mittels Eintauchen wesentlich, dass ein hoher Reinheitgrad des zu überziehenden Werkstoffes vorliegt.
In besonderem Masse eignet sich eine elektrische, beispielsweise elektrolytische Reinigung des Werkstoffes und Überziehen dieses Werkstückes mit dem Überzugsmetall unter einem indifferenten Gas, so dass zwischen der Reinigung und dem Überziehen nicht die Möglichkeit besteht, dass das zu überziehende Metall wieder oxydiert und so das Überzugsmetall abweisende Oxyde oder andere Häutehen bildet. Die Reinigungselektrolyse kann gegebenenfalls mit der Überzugselektrolyse im gleichen Bade erfolgen, z. B. durch Umpolung und Änderung der Art oder Konzentration des Elektrolyten.
Will man aus irgendwelchen Gründen davon absehen, zwei oder mehrere verschiedenartige Metalllagen aufeinander zu bringen, so ist es gemäss der vorliegenden Erfindung auch möglich, eine Oberflächenbehandlung des einzigen zu verwendenden Metallkörpers, beispielsweise eine Oberflächenbehandlung von eisernen Gefässteilen vorzunehmen. Wenn man die Aussenschicht eiserner Gefässe einer besonderen glättenden Behandlung unterwirft, so gelingt es, beispielsweise, wenn man Porenfüllstoff verwendet, mitunter eine gasdichte Aussenschicht zu erhalten. Nicht ungeeignet ist hiebei eine teilweise Tränkung von Eisenteilen mit Blei. Zu diesem Zweck werden die zu tränkenden Eisenkörper nahezu etwa auf Rotglut erhitzt, so dass sieh die Poren öffnen und in diesem Zustande flüssigem oder verdampfendem Blei ausgesetzt.
Kühlt sich der Eisenkörper dann ab, so presst er die aufgenommenen Bleiteilchen fest in seine Poren und drückt den Überschuss nach aussen hinaus. Durch Verhämmern der Aussenfläche erzielt man dann ein vollkommen gas-oder vakuumdichtes Gefäss. Derartige Gefässwandungen kann man in Fällen anwenden, in denen ein grösseres Gewicht des Gefässes keine Rolle spielt. In Fällen, in
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denen man das Gewicht auf ein Mindestmass herabsetzen will, was beispielsweise bei auf Fahrzeugen zu verwendenden Stromrichtern der Fall ist, wird man die zuerst erwähnten Ausführungsformen vorziehen.
Die neue Ausgestaltung der Wände von Entladungsapparaten bietet die Möglichkeit, von den bisherigen Gefässformen vollkommen abzuweichen und sich von Fall zu Fall den jeweiligen Bedürfnissen der Praxis hinsichtlich der Gefässform weitestgehend anzupassen. Von besonders grosser Bedeutung ist die neue Ausgestaltung der Gefässwände für steuerbare Stromrichter, da die Steuerorgane mit Leichtigkeit an jeder Stelle der Gefässwand eingesetzt werden können.
Man verwendet zu diesem Zweck dann vorteilhaft Fenster, die man in der Gefässwand anbringt und mit der gas-oder vakuumdiehten lötfähigen Metallschicht verschmilzt und verlötet. Man kann auf diese Weise in den Wänden von Grossgleiehriehtern Glasscheiben einsetzen, die eine Beobachtung und Überwachung des Inneren des Stromrichtergefässes ermöglichen, ohne dass kostspielige Dichtungen, wie Schraubdichtungen u. dgl., erforderlich sind. Man kann so Stromrichter sehr grosser Leistung mit Teilen aus Glas versehen, so dass sich auch solche Stromrichter grosser Leistung der Form von Glasgleiehrichtern nähern. Die Anoden bringt man vorteilhaft in besonderen Anodenarmrohren unter, so dass die Auswechselung und Ausbesserung der Anodenteile sehr einfach wird.
Die neue Gefässwand eignet sich nicht nur für Vakuumapparate, wie Quecksilberdampfapparate, sondern auch für andere Metalldampfapparate, insbesondere auch für Apparate, die mit Gallium betrieben
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Festigkeit aufweisen. An Stelle der erwähnten Werkstoffe kann man natürlich auch andere Metalle verwenden. Für den in Rede stehenden Zweck eignet sich neben Nickel, Kupfer und Eisen auch Wolfram, Molybdän, Chrom usw. entweder in reinem metallischen Zustande oder aber in Legierung oder Verbindung mit andern Stoffen.
Die erzielte Vakuum-und Gasdichtigkeit ist so gross, dass ein dauernder Anschluss der neuen Vakuumapparate an einen Vakuumerzeuger entfällt.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Metalldampf-oder Gasentladungsapparat mit Wandungen aus metallenem Werkstoff, insbesondere Quecksilberdampfstromrichter, wobei die metallenen Wandungen aus mindestens zwei verschiedenartigen Werkstoffen zusammengesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Wandungsteil aus einem gegen aggressive Dämpfe und Gase unempfindlichen Metall, z. B. Eisen, gebildet wird, während der nach aussen folgende Wandungsteil aus gas-und vakuumdichtem Werkstoff, insbesondere einem mit Isolierwerkstoffen, wie Glas, Porzellan u. dgl., verlöt-oder verschmelzbarem Metall oder einer Legierung oder einer Verbindung dieses Metalls oder solcher Metalle mit ein oder mehreren Metallen oder Nichtmetallen, z. B. aus Kupfer, Nickel, Chrom, Chromeisen od. dgl., gebildet wird.