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Vakuumentladungsgefäss mit Quecksilberkathode, mit Gas oder Dampffüllung und metallener
Wandung.
Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Entladungsgefässe mit Gas-oder Dampffüllung und metallischer Wandung, u. zw. auf Stromrichter mit Queeksilberkathode.
Die neuere Entwicklung bei Vakuumentladungsapparaten geht dahin, den Gas-oder Dampf- druck im Innern des Gefässes auf höhere Werte, vorzugsweise zwischen einigen Hundertsteln und einigen Zehnteln Millimeter Hg.-SäuIe einzustellen, um die Belastbarkeit zu steigern. Die Folge dieser Druck- erhöhung ist, dass die Abstände der Elektroden kleiner gemacht werden müssen, damit sie, in freien Weglängen der Elektronen gemessen, doch ungefähr gleich bleiben, was mit Rücksicht auf die Spannungsabfälle im Innern des Gefässes erforderlich ist.
Diese Notwendigkeit einer räumlichen Zusammendrängung der Elektroden führt bei den üblichen metallenen Stromrichtern. bei denen meist zumindest die Anoden vom Gefässdeckel aus eingeführt sind. zu konstruktiven und betriebstechnischen Schwierigkeiten, insbesondere auch hinsichtlich einer wirtschaftlichen Kühlung.
Gegenstand der Erfindung ist ein metallisches Vakuumgefäss, insbesondere mit Luftkühlung, mit Quecksilberkathode und mit Gas- und/oder Dampffüllung von einem Druck zwischen einigen Hundertsteln und einigen Zehnteln Millimeter Quecksilbersäule, bei welchem diese Schwierigkeiten beseitigt und darüber hinaus noch verschiedene wesentliche Vorteile erzielt sind. Das wird erfindungs- gemäss dadurch erreicht, dass sämtliche Hauptelektroden und gegebenenfalls auch die Hilfselektroden vom Boden des Gefässes aus eingeführt sind, und dass der untere, die Elektroden enthaltende und als Entladungsraum dienende Teil des Gefässes gegen den oberen als Kondensationsraum dienenden Teil thermisch abgeschirmt ist.
Bei Glasgleiehrichtern ist es an sich bekannt, dass der Queeksilberdampfdruck gelegentlich bis zu einigen Hundertsteln Millimeter Quecksilbersäule ansteigen kann. Die Erfindung bezieht sieh demgegenüber jedoch auf Stromrichter mit Metallwandung, bei welchen man bisher praktisch ausschliesslich mit Quecksilberdampfdrucken von nur wenigen Tausendsteln Millimeter Hg.-Säule gearbeitet hat. Es ist ferner bekannt, bei Metalldampfgleichrichtern die Elektroden vom Boden her einzuführen, jedoch handelt es sich bei diesen älteren Anordnungen um Gefässe, bei denen der Dampfdruck, wie bisher allgemein üblich, sehr klein gewählt ist.
Bei diesen geringen Drucken muss aber der Abstand zwischen der Kathode und den Anoden verhältnismässig gross sein, und demgemäss sind auch bei Einfühnmgen sämtlicher Elektroden von unten aus die Anodenbolzen und die Einfiihrungsisolatoren sehr lang ausgebildet. Die Einführung der Elektroden vom Boden aus bietet also bei den bisher üblichen Gleichriehtern mit geringem Dampfdruck gegenüber einer Einführung von oben aus praktisch keine besonderen Vorteile.
Anders liegen demgegenüber die Verhältnisse bei einem Vakuumentladungsgefäss gemäss der Erfindung, dessen Dampfdruck verhältnismässig gross ist. Hier stellt gerade die Anordnung der Elektroden am Boden des Gefässes einen wesentlichen Fortschritt gegenüber der Einführung vom Deckel aus dar, da hier wegen des hohen Druckes der Abstand zwischen der Kathode und den Anoden gering bemessen werden muss und somit auch nur Einführungsröhren geringer Länge für die Anoden notwendig sind. Insbesondere in konstruktiver Hinsicht ist das von grosser Bedeutung, da sich kurze
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Anodenisolatoren und Anodenbolzen viel leichter fest und mechanisch widerstandsfähig einbauen lassen als lange Isolatoren und Bolzen.
Bei den bekannten Gleichrichtern mit Metallwandung ist ferner auch nicht die für den Erfindunggegenstand wesentliche thermische Abschirmung des unteren, als Entladungsraum dienenden Teiles des Gleichrichters gegen den oberen, als Kondensationsraum dienenden Teil vorgesehen. Vielmehr sind bei den bekannten Anordnungen die Wände, die zur Kondensation des Queeksilberdampfes dienen, meist unmittelbar der Strahlung des Lichtbogens bzw. der Anoden ausgesetzt.
Der Übergang der Lichtbogenwärme auf die Kondensationswände hat aber zur Folge, dass zur Erzielung der für den vorgeschriebenen Dampfdruck notwendigen Wandtemperatur eine verhältnismässig grosse Kühlleistung aufgebracht werden muss, da von den Kondensationswänden einmal die Kondensationswärme des
Quecksilbers selbst und dann aber auch noch zumindest ein Teil der Lichtbogenwärme abgeführt werden muss. Die im Lichtbogen in Wärme umgesetzte Energiemenge ist aber etwa fünfmal so gross als die Kondensationswärme. Wenn man nun gemäss der Erfindung die Lichtbogenwärme von den Kondensationswänden bzw. den Kühlwänden durch eine Abschirmung fernhält, benötigt man zur Aufrechterhaltung der für den gewünschten Dampfdruck erforderlichen Temperatur der Wandung einen wesentlich geringeren Kühlaufwand.
Die Kühlung braucht nunmehr im wesentlichen nur noch entsprechend der abzuführenden, im Vergleich zur Lichtbogenwärme geringen Kondensationswärme bemessen zu werden, was weiterhin den Vorteil besitzt, dass man auch bei Eisengleiehrichtern nicht mehr unbedingt FlüssigkeitskÜhlung anwenden muss, sondern auch schon mit Luftkühlung auskommt.
Auch die Lichtbogenkammer des Gefässes braucht infolge der erfindungsgemässen Ausbildung des Gefässes nur noch schwach gekühlt zu werden, da die diesen Raum begrenzenden Wände ohne Schaden sehr heiss werden können, ohne dass dadurch der Gas- oder Dampfdruck im Gefäss beeinflusst wird.
Wesentlich ist hiebei, dass auch die Elektrodeneinführungen die hohen Temperaturen auszuhalten vermögen, was durch Verwendung von Metall-Keramik-Verschmelzungen gewährleistet wird.
Bildet man noch die Kühlung so aus, dass der obere Teil des Gefässes stärker als der untere gekühlt wird, wird mit Sicherheit eine Kondensation von Quecksilber an den Anoden oder in der Nähe von ihnen vermieden.
Die erfindungsgemässe Ausführung des Gefässes kann mit besonderen Vorteilen verbunden sein, wenn ein metallenes Gefäss verwendet wird, das von der Vakuumpumpe nach Anwendung einer Entgasung bei hoher Temperatur getrennt und mit einem chemisch inaktiven Gas gefüllt ist. Bei Einrichtungen dieser Art wird in das Entladungsgefäss ein besonderer, an einer Stelle offener Hohlkörper eingesetzt, der den während des Betriebes von der Kathode aufsteigenden Gas-oder Dampfstrom an den gekühlten Wandungen und dem Deckel der Haube entlang führt und in dem sich das chemisch inaktive Gas allmählich mit zunehmender Erwärmung des Gefässes sammelt.
Zur Kühlung kann ein gasförmiges oder flüssiges Kühlmittel verwendet werden. Im letzteren Fall ist ein Kühlmittel zu benutzen, das wenig oder keine freien Wasserstoffionen enthält oder abgeben kann, z. B. Chloräthylen, oder die mit der Kühlflüssigkeit in Berührung kommende Wandung des Entladungsgefässes ist aus einem Baustoff herzustellen, welcher keine freien Wasserstoffionen aus der Kühlflüssigkeit aufnehmen kann.
An Hand der Zeichnungen soll die Erfindung näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt als Ausführungsbeispiel einen Quecksilberdampfgleichrichter gemäss der Erfindung im Längsschnitt und Fig. 2 stellt einen Einzelteil, u. zw. eine Anode im Schnitt dar.
1 ist die Quecksilberkathode des Gefässes. 2 sind die Anoden. 3 sind die Einführungsisolatoren für die Anoden und 4 ist der Isolator der Kathode ; zweckmässig werden Isolatoren aus keramischem Material, insbesondere aus Steatit benutzt. Sämtliche Elektroden werden von dem metallenen Boden 5 aus eingeführt. Zweckmässig erfolgt die vakuumdichte Verbindung zwischen den Einführungsisolatoren 3
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Sinterprozess. Auf dem Boden 5 ist die das eigentliche Entladungsgefäss bildende Metallhaube 6 aufgesetzt, welche längs der Naht 7 mit dem Boden oder Teller 5 verschweisst ist. Das ganze Gefäss ruht mittels Stützen 8, die in der Nähe der Schweissnaht 7 befestigt sind, auf einer Grundplatte 9, die ihrerseits auf der Erde aufliegen kann.
Da die Kühlung bei dieser Ausführungsform durch Luft erfolgen soll, ist über die Haube 6 eine weitere Haube 10 herübergestülpt, an deren oberen Ende ein Schleuderlüfter mit dem Sehleuderrad 11 angeordnet ist. Dieses Sehleuderrad 11 wird durch einen Motor 12 angetrieben und ist auf der Motorwelle fliegend angeordnet. Die Luftführung ist in der Weise ausgebildet, dass das Sehleuderrad 11 Luft ansaugt. Diese strömt dann am Deckel der Haube 6 und an den Wandungen in dem Ringraum zwischen dem eigentlichen Entladungsgefäss und der Führungshaube. M abwärts und tritt durch die Öffnungen 13 am Unterteil der Haube 10 wieder aus. Falls Wert darauf gelegt wird, eine stärkere Kühlung des Bodens 5 und der dort befindlichen Teile zu erhalten, können noch besondere Prall-oder Leitflächen 23 vorgesehen werden.
Wie ohne weiteres verständlich ist, wird durch diese Art der Luftführung sowie durch die Ausbildung des Gefässes erreicht, dass der obere Teil des Gefässes ziemlich kühl bleibt, so dass die Kondensation des Quecksilberdampfes einwandfrei vonstatten geht, während der untere Teil des Gefässes, in dem sich die Anoden befinden, relativ heiss wird.
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Der Motor 12, das Schleuderrad 11 und die Kühlhaube 10 können von dem Gefäss 6 durch Stützisolatoren 14 isoliert werden. Erdet man nun die Haube 10, so bildet diese einen vollkommenen Berührungsschutz gegenüber dem Gehäuse 6 und den durch den Boden 5 eingeführten Elektroden.
Die Stromanschlüsse können in dem Raum zwischen dem Boden 5 und der Grundplatte 9 vorgenommen werden. Vorteilhaft verwendet man irgendeinen Kabelendverschluss bekannterAusführung,
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leitungen erfolgen.
Falls das Entladungsgefäss von der Vakuumpumpe getrennt und gefüllt mit chemisch inaktivem Gas, insbesondere Edelgas mit hohem Atomgewicht, betrieben werden soll, wird in das Entladungsgefäss 6 ein hohler Einsatzkörper 16 eingesetzt. Dieser besteht aus einem zylindrischen Mittelteil, einem nach unten konischen Boden 17 und einem der Rundung des Gefässes 6 angepassten Deckel 18.
Die Befestigung des Einsatzkörpers in dem Gefäss 6 erfolgt mit Hilfe von Trägern 19, die sich gegen die Innenwand des Gefässes 6 abstützen.
Am oberen Ende des Hohlkörpers 16 ist eine Öffnung 20 vorgesehen, die zweckmässig durch einen Schirm 21 gegen heruntertropfendes Quecksilber abgedeckt wird. Solange das Gefäss kalt ist, erfüllt das eingefüllte Edelgas, dessen Druck bei kaltem Gefäss etwa 0'01 bis 0'15 mm Hg.-Säule betragen soll, das ganze Gefäss. Während des Betriebes streicht nun der von der Kathode 1 aufsteigende Queeksilberdampfstrom, welcher mit Edelgas gemischt ist, infolge der Führung durch den Einsatzkörper 16 an den zylindrischen Wandungen und dem Oberteil der Haube 6 entlang.
Da bei dieser erfindungsgemässen Ausführung nicht nur die Wandungen, sondern auch der Deckel des Entladungsgefässes, der bei den bekannten Ausführungen die Elektroden trägt, gekühlt wird, ist der Weg, den die Quecksilberdämpfe längs gekühlter Wandungen zurücklegen, sehr lang, so dass das Quecksilber vollständig kondensiert. Es fliesst dann an den Wandungen des Gefässes 6 und des Einsatzkörpers 16 entlang zurück zur Kathode, während die nichtkondensierbaren Fremdgas durch die Öffnung 20 in das Innere des Einsatzkörpers gedrängt werden, so dass nach einer gewissen Betriebsdauer die Entladung in reinem Quecksilberdampf vor sich geht.
Dies hat den Vorteil, dass infolge der Anwesenheit von Fremdgasen auch bei kaltem Gefäss der gewünschte Druck in dem Gefäss vorhanden ist, aber trotzdem bei heissem Gefäss, wo der Quecksilberdampf den nötigen Druck liefert, von den im Verhältnis zu Edelgasen günstigeren Betriebseigenschaften des Quecksilbers voll Gebrauch gemacht werden kann.
Um eine Fortleitung der Elektrodenwärme nach dem oberen Teil der Haube 6 nach Möglichkeit zu verhindern und die Aussenwandung des ringförmigen Spaltes 22, der durch die Wandungen des Einsatzkörpers 16 und des Entladungsgefässes 6 gebildet wird, möglichst ausschliesslich für die Kondensation des Quecksilbers auszunutzen, wird zweckmässig der Boden 17 des Einsatzkörpers doppelt oder dreifach ausgeführt, so dass die Übertragung von Wärme durch Strahlung verhindert wird. An Stelle einer mehrfachen Ausführung des Bodens kann selbstverständlich auch eine andere geeignete Wärmeisolierung benutzt werden.
Falls der Stromrichter mit höheren Spannungen, etwa über 200 Volt, betrieben werden soll, ist es zweckmässig, die Anoden mit Schutzhülsen zu umgeben. Dies kann in der in Fig. 2 dargestellten Weise geschehen.
24 ist der Elektrodenkörper, der an dem stromeinführenden Leiter 25 befestigt ist. Vorteilhaft wird eine Graphitelektrode benutzt, in welche der aus einem hochschmelzenden Metall, z. B. Wolfram oder Molybdän, bestehende Leiter 25 fest eingesetzt wird. Der Leiter 25 ist von einem Isolierrohr 26 aus keramischem Material, insbesondere Steatit, umgeben, mit welchem er unter Zwischenfügung einer Kappe 27 durch einen Glas- oder Emailleschmelzfluss vakuumdicht verbunden ist. Die Verbindung zwischen dem Boden 5 und dem Isolator 26 erfolgt mit Hilfe eines Ringflansches 29, der bei 28 ebenfalls durch einen Emaille- oder Glasschmelzfluss mit dem Isolator verschmolzen und bei 30 mit dem Boden 5 verschweisst ist.
An dem in das Gefäss hereinragenden Teil des Isolators ist eine ringförmige Rille 31 vorgesehen. In diese ist der Boden 32 einer Anodenhülse 33 passend eingesetzt. Diese Anodenhülse enthält ein Gitter 34 und ist über dieses hinaus um den Teil j5 verlängert. Dieser Teil 35 ist an seinem vorderen Ende durch einen Deekel j6 abgeschlossen, der die Anoden gegen das Hereinfallen von Queck- silbertropfen schützt. An den Seitenwandungen des Teiles 35 sind eine oder mehrere Öffnungen 37 vorgesehen, um den Eintritt des Lichtbogens zu gestatten. Diese Öffnungen befinden sich vorteilhaft an den Stellen des Umfanges, welche den kleinsten Abstand zu benachbarten Anodenhülsen aufweisen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Vakuumentladungsgefäss, insbesondere mit Luftkühlung, mit Quecksilberkathode, Gasund/oder Dampffüllung und metallenem Gefäss, dessen Dampfdruck zwischen einigen Hundertsteln und einigen Zehnteln Millimeter Queeksilbersäule liegt, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Hauptelektroden und gegebenenfalls auch die Hilfselektroden vom Boden des Gefässes aus eingeführt sind und dass der untere, die Elektroden enthaltende und als Entladungsraum dienende Teil des Gefässes gegen den oberen, als Kondensationsraum dienenden Teil thermisch abgeschirmt ist.