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Quecksilberdampfstromrichter mit Edelgasfüllung und mit von der
Pumpe getrenntem Vakuumgefäss
Es ist bekannt, bei pumpenlosen Gefässen für Quecksilberdampfstromrichter eine Edelgasfüllung vorzusehen, welche das Anfahren des Stromrichters, besonders in kaltem Zustande, also bei kleinen Quecksilberdampfdrucken, erleichtert.
In kaltem Zustande ist dabei das Edelgas im ganzen Gefäss gleichmässig verteilt, während es im Betrieb bei zunehmender Strombelastung aus der Lichtbogenstrecke verdrängt werden muss, da sonst bei höherer Belastung wegen der die Kondensation des Quecksilbers erschwerenden Wirkung des Edelgases der Totaldruck in Anodennähe zu gross und die Rückzündungsgefahr erhöht wird ; ausserdem wird das Edelgas, wenn es im Betrieb ständig an der Entladung teilnimmt, im Laufe längerer Zeit durch den bekannten" clean-up" -Effekt aufgezehrt. Man hat daher bereits innerhalb der Gefässe besondere, entladungsfreie und nahezu geschlossene Räume (Edelgaskammern) vorgesehen, die so ausgebildet werden, dass durch den wachsenden Hg-Dampfdruck das Edelgas in diese verdrängt wird.
Das Edelgas wird dabei vom Quecksilberdampf in der Weise getrennt, dass die Eingangsspalten zur Edelgaskammer an der gekühlten Aussenwand liegen, so dass dort der Quecksilberdampf auskondensiert wird.
So ist z. B. bekanntlich bei Gefässen mit linsenförmigem Entladungsraum und oben angesetztem Kondensationsdom die Edelgaskammer innerhalb des letzteren angeordnet ; bei einem rein zylindrischen Gefäss, bei welchem die Anoden entweder vom Deckel her eingeführt oder in besonderen seitlichen Armen angeordnet sind, wird die Edelgaskammer innerhalb des oberen Teiles des zylindrischen Gefässes angebracht.
Die Kondensationsfläche für den Quecksilberdampf liegt bei dieser bekannten Bauweise ausserhalb der Edelgaskammer und umschliesst diese ; die Edelgaskammer selbst weist keine gekühlten Flächen auf.
Diese Ausführung ist aus folgenden Gründen nachteilig :
1. Die Grösse der Edelgaskammer ist beschränkt durch die Abmessung der Kondensationsfliche.
2. Der Teil des Quccksilberdampfes, welcher an dem einseitig gekühlten Eingangsspalt der Edelgaskammer, z. B. bei hoher Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches nicht auskondensiert wird, gelangt zusammen mit dem Edelgas in die Edelgaskammer ; da deren Wandungen durch die Lichtbogenentladung im Gefäss auf Temperaturen geheizt werden, welche über derjenigen der gekühlten Kondensationsflächen des Gefässes liegen, kann der überschüssige Quecksilberdampf innerhalb der Edelgaskammer nicht kondensieren und verringert so die Speicherfähigkeit der Edelgaskammer für das Edelgas.
3. Durch die Eingangsspalte ist ausserdem ein wesentlicher Teil der Kondensationsfläche des Gefässes der freien ungehinderten Zuströmung des Cuecksilberdampfes entzogen.
Der der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Gedanke besteht darin, dass
1. die Edelgaskammer so ausgebildet wird, dass sie sich ausserhalb der Kondensationsflächen des Quecksilberdampfstromrichtergefässes befindet, so dass die Hg-Dampfströmung dorthin nicht behindert wird und in der Grössenbemessung keine Beschränkung besteht und
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dampf auskondensiert wird.
Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Edelgaskammer als konzentrisch zum Entla- dungsraum liegende mantelformige Kammer, vorzugsweise mit zylindrischen Seitenwänden ausgebildet ist, welche von der Entladung aus gesehen jenseits der Kondensationsflächen für denquecksilberdampf
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liegt. Als Kühlmittel kann in bekannter Weise Luft, Wasser oder eine Flüssigkeit, welche frei von Was- serstoff-Ionen ist, dienen. Bei Wasserkühlung muss die Wand des Gefässes und der Edelgaskammer in bekannter Weise aus Werkstoffen bestehen, welche für Wasserstoff-Ionen undurchlässig sind, z. B. Chrom- oder Chrom-Nickel-Stählen oder einem mit geeigneten Nichteisenmetallen plattierten Eisen.
Diese Ausführung der Edelgaskammer ist anwendbar für ein-oder mehranodige Stromrichtergefässe.
Konstruktiv ergeben sich dabei verschiedene Variationsmöglichkeiten, von denen einige Ausführungbeispiele in den Zeichnungen dargestellt sind.
In diesen zeigt Fig. l schematisch ein Stromrichtergefäss mit einer ausserhalb des eigentlichen Gefässes angeordneten Edelgaskammer in Gestalt eines doppelwandigen Rohrstückes. In ein Vakuumgefäss 1 sind - hier zwei - Anoden 2 mit ihren Stromleitern 3 mittels der Anodenisolatoren 4 eingeführt und jeweils von einer Anodenhülse 5 umgeben, welche gegebenenfalls ein Gitter 6 enthält. Am Boden des Gefässes befindet sich eine zylindrische Vertiefung zur Aufnahme der Quecksilberkathode 7, welcher der Strom durch den Leiter 8 zugeführt wird, der von dem Kathodenisolator 9 umgeben ist. Das Kathodenquecksilber 7 befindet sich seinerseits in einer keramischen Schale 10, während der Kathodenleiter 8 innerhalb des Entladungsraumes zur Verhinderung des Entstehens seines Kathodenfleckes auf dem Leiter durch ein Lichtbogenschutzrohr 11 abgeschirmt ist.
Zwischen den Anoden 2 und der Kathode 7 befindet sich ein Schirm 12. Das Vakuumgefäss 1 ist von einem Flüssigkeits- oder Luftkühler 13 umgeben. Ausserhalb des Gefässes und des Kühlers liegt die Edelgaskammer 14 in Gestalt eines doppelwandigen Rohrstük- kes, welches eine innere und äussere Zylinderfläche 15 bzw. 16 aufweist. Die Edelgaskammer 14 ist mit dem Vakuumgefäss 1 durch ein oder mehrere Rohrverbindungen 17, die nach aussen hin vakuumdicht sind, verbunden. Zweckmässigerweise werden die Verbindungsrohre 17 längs des dargestellten tellerförmigen Flansches 32'geschweisst.
Weitere Verbindungen zwischen der Edelgaskammer und dem Vakuumgefäss sind am Grunde der Edelgaskammer in Gestalt eines oder mehrerer vorzugsweise als Syphon ausgebildeten Rohre 18 vorgesehen, in denen sich das an den Wänden 15 und 16 der Gaskammer 14 kondensierende Quecksilber sammelt und dem Vakuumgefäss 1 wieder zugeleitet wird.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform zeigt das eigentliche Stromrichtergefäss 1 einen normalen Aufbau, während die Edelgaskammer 14 koaxial um dieses herum angeordnet ist. Ihre innere Zylinderfläche 15 kann dabei vom Luftstrom eines meist unterhalb des Stromrichtergefässes angeordneten, nicht dargestellten Ventilators oder durch Eigenkühlung der am erwärmten Gefäss aufsteigenden Luft gekühlt werden oder auch in direkter metallischer Verbindung mit dem Flüssigkeitskühler 13 stehen.
Die Edelgaskammersoll ein im Vergleich zum eigentlichen Entladungsgefäss möglichst grosses Volumen aufweisen, damit das Edelgas schon bei vergleichsweisen niedrigen Drücken vollständig in dieser gespeichert ist. Diese Forderung lässt sich bei der dargestellten Ausführungsform leicht erfüllen, da man in der Wahl der Abmessungen der Edelgaskammer 14 frei ist und beispielsweise den Durchmesser ihrer Aussenfläche 16 viel grösser machen kann als den der Innenfläche 15. Auch kann die Höhe der Edelgaskammer grösser sein als die des Stromrichtergefässes 1 oder ihr Kopf kann erweitert werden, wie es bei 19 gestrichelt angedeutet ist. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, das Volumen der Edelgaskammer 14 mindestens gleich 1/5 des Volumens des Stromrichtergefässes 1 zu machen.
Noch günstiger ist ein Volumenverhältnis von 1/3 bis 1/2, was sich bei dem dargestellten Konstruktionsbeispiel leicht erreichen lässt.
Das Stromrichtergefäss ist in Fig. 1 mit zwei Anoden dargestellt, es kann jedoch auch mit drei, sechs oder mehr Anoden oder auch nur mit einer, zentral angeordneten Anode ausgeführt werden.
InFig. 2 ist eine andere A usführungsform des Erfindungsgedankens dargestellt. Die Bezugszeichen 1-15 entsprechen denen der Fig. 1 mit dem konstruktiven Unterschied, dass der Stromleiter 8 zur Kathode 7 zentral von oben her eingeführt ist. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel hat die Edelgaskammer 14 die Gestalt eines ringförmigenrohrstückes, welche sich ausserhalb der Kondensationsflächen für den Hg-Dampf befindet, nur dass sie hier innerhalb der vakuumdichten Aussenwand des Stromrichtergefässes 1 angeordnet ist. Dabei bildet die zylindrische Aussenwand 16 des Gefässes 1 gleichzeitig die äussere Fläche des" dop- pelwandigen Rohrstückes"14, der Blechmantel 15 seine innere Fläche.
Der eigentliche Kühler ist hier innerhalb des Stromrichtergefässes 1 angeordnet und beispielsweise als doppelte Rohrschlange 20,21 für Flüssigkeitskühlung ausgebildet. Wie auf der rechten Seite der Fig. 2 zu sehen ist, kann der Blechmantel 15 die äussere Rohrschlange 21 auch direkt metallisch und damit gut wärmeleitend berühren. Daraus ergibt sich zweckmässig ein etwas verschiedener Aufbau der Kühlschlangen 20 bzw. 21.
In jedem Falle ist M bei einer Ausführungsform mit zwei Kühlschlangen - es ist natürlich auch möglich, nur eine Kühlichlange oder einen entsprechend geformten Kühlkörper vorzusehen-vorteilhaft, die innere Kühlschlange 20 lose, d. h. mit einigem Abstand der Rohrwindungen untereinander. auszuführen, wie es in der Fig. 2
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auch angedeutet ist. Dabei kann der Hg-Dampf durch die Zwischenräume der Rohre der Schlange 20 auch an die Kühlschlange 21 herantreten. Bei der in Fig. 2 rechts dargestellten Ausführungsform, bei welcher die Fläche 15 der Gaskammer 14 in direkter metallischer Berührung mit der Rohrschlange 21 ist, wird diese zweckmässig eng gewickelt, um den Hg-Dampf von der Edelgaskammer fernzuhalten.
Dagegen kann bei der links dargestellten Ausführungsform mit von der Rohrschlange getrennter Gaskammerwand 15'auch die Rohrschlange 21 gegebenenfalls lose gewickelt sein, so dass ihre nach aussen gerichtete Fläche eben- falls für die Kondensation des Hg-Dampfes ausgenutzt wird. Die Innenwand 15 bzw. 15' der Edelgaskam- mer endet oben in einem feinen Spalt 17, durch welchen das mit Hg-Dampf gemischte Edelgas eintritt.
Am unteren Ende des Blechmantels 15 sind einzelne kleine Rücklauföffnungen 18 für das in der Edelgas- kammer auskondensierte Quecksilber vorhanden.
Man kann aussen am Gefäss 1 noch Kühlflächen 13 und bzw. oder einen Kühlmantel 22 anordnen, um damit die Aussenfläche der Edelgaskammer 14 intensiv zu kühlen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Das Stromrichtergefäss weist hier gegenüber den vorher beschriebenen den Unterschied auf, dass die Kathode 7 nicht gegen die Gefäss- aussenwand isoliert ist, sondern beide das gleiche Potential aufweisen.
Dagegen ist hier der Innenkühler 23 gegenüber dem Gefäss 1 elektrisch isoliert aufgehängt. u. zw. mittels der Durchführungsisolatoren 25 und 27 und des Quarzringes 10 sowie des Schirmes 32.
Der Innenkühler 23 mit seiner gekühlten vakuumdichten Aussenwand 15 und Innenwand 24 bildet die innere Begrenzung der Edelgaskammer 14 und die äussere Begrenzung des Entladungsraumes des Stromrich- tergefässes. Das auf der gekühlten Wand 24 kondensierte Quecksilber fliesst über den geneigten Schirm 32 zum Kathodenbehälter ; das in der Edelgaskammer 14 an ihrer gekühlten Innenwand 15 kondensierte Quecksilber fliesst über den gewölbten Boden des Gefässes in den Kathodenbehälter zurück.
Die äussere (Gefäss-) Wand kann ebenso wie bei der Ausführung nach Fig. 2 noch zusätzlich durch einen forcierten Luftstrom gekühlt sein. Um die Bildung eines Kathodenfleckes auf der Gefässwand infolge Auftreffens von positiven Ionen aus der Entladung sicher zu vermeiden, weist diese keinerlei an den Entla- dungsraum direkt angrenzende Flächen auf.
Am oberen Ende des Entladungsraumes sind Abschirmungen 29,30 vorgesehen, von denen der Schirm 29 gegen Kathode und Gefässwand isoliert ist, während der Schirm 30 auf Kathoden- bzw. Gefässpotential liegt.
Auch die Anodenhülse 5 ist von der Gefässwand isoliert. Durch die Anodenhülse 5 und die Schirme 29 und 30 werden feine Spalte 31 gebildet, durch welche das mit Quecksilber gemischte Edelgas in die Gaskammer eintreten kann, wobei die mitströmenden Ionen neutralisiert werden. Das höhere Potential der Hülse 5 und des Schirmes 29 gegenüber dem Schirm 30 wirkt sich dabei günstig auf die Entionisierung des Hg-Dampf-Edelgasgemisches aus.
Der bei dieser Ausführungsform einwärts gestülpte Deckel des Gefässes 1 ermöglicht einen sehr kurzen Lichtbogenweg von der Anode 2 zur Kathode 7 und dadurch einen sehr geringen Spannungsabfall im Stromrichtergefäss trotz relativ grossen Volumens der Edelgaskammer.
Bekanntlich werden Stromrichtergefässe aus Eisen bei der Herstellung einem sorgfältigen Vakuumformierungs-Prozess unterworfen. Dieser beginnt meist mit einer thermischen Formation, d. h. das Gefäss wird als Ganzes innerhalb eines Ofens auf möglichst hohe Temperaturen geheizt und gleichzeitig evakuiert ; durch die hohe Temperatur werden alle Innenbauteile und die Gefässwände weitgehend entgast.
Anschliessend erfolgt die elektrische Formation, d. h. das Gefäss wird bei Entladungsbetrieb mit niedriger Spannung strommässig so hoch wie irgend möglich belastet; einzelne Innenbauteile, insbesondere die Anoden und ihre Umgebung nehmen dabei sehr hohe Temperaturen an, welche weit über denen Im Betrieb auftretenden liegen. Dabei werden ebenfalls adsorbierte und okkludierte unedle Gase frei und können abgepumpt werden. Verfolgt man die Gasabgabe dabei quantitativ, so stellt man fest, dass diese von zunächst sehr hohen Werten anfangs sehr schnell, dann langsamer auf ausserordentlich niedrige Beträge zurückgeht, aber doch nicht ganz auf Null, vielmehr sich asymptbtisch einem niedrigen Grenzwert annä- hert.
Diese von den Bauteilen bei hoher Temperatur abgegebenen unedlen Gase werden in der Entladung ausserordentlich wirksam gegettert, d. h. sie bilden chemische Verbindungen mit den metallischen Bauteilen bei äusserst niedrigen Zersetzungsdrucken.
In einem von der Pumpe getrennten, fertig formierten Stromrichtergefäss stellt sich im Betrieb also ein Gleichgewicht ein zwischen den gasabgebenden Vorgängen und der Gasaufzehrung (Getterung). Wenn ein solches Stromrichtergefäss mit einer Edelgaskammer der geschilderten Bauart ausgerüstet ist, kann unter gewissen Betriebsumständen unedles Gas, welches von den Bauteilen infolge ihrer hohen Betriebs-
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temperatur abgegeben wird, in der Edelgaskammer zusammen mit dem Edelgas im Laufe eines längeren ununterbrochenen Betriebes angereichert werden ; dies ist insbesondere der Fall, wenn das Gefäss lange Zeit hindurch mit hohem, wenig veränderlichem Strom, z. B. Nennstrom belastet wird (z.
B. bei Elektrolysebetrieb) ; die Folge würde sein, dass
1. die Speicherfähigkeit der Edelgaskammer für das Edelgas verringert würde und
2. nachAusserbetriebnahme und Abkühlung des Gefässes das unedle Gas einen hohen Partialdruck im Gefäss hätte, der eine Inbetriebnahme erschweren bzw. unmöglich machen würde.
Um dieser Gefahr zu begegnen, werden nach einem weiteren Erfindungsgedanken am unteren Teil der Edelgaskammer Rückströmungs-Verbindungen zum Entladungsraum des Gefässes hin vorgesehen, die so angeordnet und bemessen sind, dass durch diese eine schwache Strömung des Gasinhaltes der Edelgaskammer in den Entladungsraum und aus diesem wieder in die Edelgaskammer zurück stattfindet ; dies wird z. B. dadurch erreicht, dass die Mündungen dieser Verbindungen so liegen, dass der Staudruck des strömenden Hg-Dampfes keine Druckerhöhung in ihnen erzeugt. Da dieser Staudruck anderseits in den Eintritsspalten und-Öffnungen der Edelgaskammer eine Druckerhöhung erzeugt, wird dieser Umlauf des Inhaltes der Edelgaskammer bewirkt, wobei der Anteil der unedlen Gase durch die Entladung durch Getterung verschwindet.
Die Bemessung dieser Rückströmungs-Verbindung hat so zu erfolgen, dass einerseits die Geschwindigkeit der Gasumwälzung so klein ist, dass das Edelgas praktisch nicht aufgezehrt wird, anderseits aber die unedlen Gase durch die Getterung vollständig gebunden werden.
Nach einem weiteren Erfindungsgedanken können diese Rückströmungsverbindungen mit den Rücklaufkanälen für das in der Edelgaskammer kondensierte Quecksilber vereinigt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Quecksilberdampfstromrichter mit Edelgasfüllung und mit von der Pumpe getrenntem Vakuumgefäss, sowie einer besonderen mit dem eigentlichen Entladungsraum kommunizierenden Edelgaskammer, dadurch gekennzeichnet, dass die Edelgaskammer als konzentrisch zum Entladungsraum liegende mantelförmige Kammer, vorzugsweise mit zylindrischen Seitenwänden ausgebildet ist, welche von der Entladung aus gesehen jenseits der Kondensationsflächen für den Quecksilberdampf liegt.