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Einrichtung zur Durchführung von Prozessen mittels elektrischer
Glimmentladungen Die Anwendung der elektrischen Glimmentladung für technische Prozesse, insbesondere metallurgischer Art, ist bekannt. Es ist ebenfalls bekannt, hiebei metallische Entladungsgefässe zu verwenden und die erforderliche elektrische Energie durch isolierte Stromeinführungen zuzuführen, wobei die zu behandelnden Werkstücke als Elektroden angeordnet sein können. Bei den bisher bekanntgewordenen, sogenann- ) ten stromschwachen Glimmentladungen weist die Strom-Spannungscharakteristik bekanntlich einen unstetigen Verlauf auf, entsprechend der Linie 65-67 in Fig. 1 der Zeichnungen.
Die Betriebsspannung ist hiebei im Bereich relativ kleiner Ströme unterhalb von etwa 0, 1 Amp. praktisch konstant, solange nämlich das kathodische Glimmlicht die Oberfläche der als Kathode arbeitenden Werkstücke noch mcnt vollständig bedeckt. Dieser Bereich x der Strom-Spannungscharakteristik wird bekanntlich"normaler Bereich" 'der Kennlinie 65-67 genannt, der bis zu jenem Stromwert reicht, bei welchem das kathodische Glimmlicht die eine negative Spannung aufweisenden Metallteile praktisch vollständig bedeckt. Zur Erhöhung der einer solchen Glimmentladung zugeführten Stromstärke muss die Betriebsspannung erhöht werden, u. zw. bis auf mehrere 1000 Volt um etwa Stromwerte zu erreichen, die grössenordnungsmässig bei etwa 0,5 Amp. gelegen sind, entsprechend einer zugeführten elektrischen Leistung von etwa 2000 bis 3000 Watt.
, Eine weitere Steigerung der Stromwerte gelingt im allgemeinen bei diesen bisher bekannten stromschwachen Glimmentladungen nicht, denn es erfolgt regelmässig ein Umschlag der Glimmentladung in eine elektrische Lichtbogenentladung (Punkt 67 in Fig. 1), die von einem sogenannten Brennfleck auf der Kathode ausgeht und bei niedrigen Spannungen unterhalb von 50 bis 100 Volt, meist etwa bei 20 - 30 Volt brennt, wobei sehr hohe Ströme auftreten können. Der Umschlag einer Glimmentladung in eine derartige Lichtbogenentladung muss bei der Behandlung von Werkstücken und andern Glimmentladungsprozessen sorgfältig verhütet werden, denn üblicherweise verursacht das Auftreten eines elektrischen Lichtbogens wegen der am BrennfleckherrschendenTemperaturen von mehreren tausend Grad unerwünschte Zerstorungen.
Der Bereich der unstetigen Strom-Spannungscharakteristik beginnend nach erfolgter vollständiger Bedeckung der eine negative Spannung aufweisenden Werkstücke mit kathodischem Glimmlicht bis zum Umschlag der Glimmentladung in einen Lichtbogen wird anomaler Bereich y genannt. Es ist allgemein bekannt, dass ein Betrieb in diesem anomalen Bereich y nur dann einigermassen zuverlässig durchgeführt werden kann, wenn im Speisestromkreis der betreffenden Glimmentladungsstrecke ein relativ hoher Widerstand vorgesehen wird, der grösser sein muss, als der sogenannte Entladungsstreckenwiderstand U/I, der für jeden Punkt der Strom-Spannungscharakteristik 65-67 aus der zugeführten Betriebsspannung U und dem zugeführten Strom I errechenbar ist.
Dieser Entladungsstreckenwiderstand U/I beträgt beispielsweise für die Strom-Spannungskennlinie 65-67 bei einem Strom von 0, 1 Amp. etwa 3000 Ohm und bei einem Strom von 0,5 Amp. etwa 9000 Ohm. Es hat sich im praktischen Betrieb solcher stromschwacher Glimmentladungen gezeigt, dass bei den vorbekannten Verfahren die zugeführte elektrische Energie nur zu einem Teil an den Werkstücken frei wird, denn die Glimmentladung bedeckt im Bereich y der StromSpannungskennlinie 65-67 sämtliche Metallteile, die eine negative Spannung während des Betriebes aufweisen, wodurch die Wirtschaftlichkeit dieser Verfahren sich ungünstig gestaltet.
Ausserdem verursacht der nicht an den Werkstücken selbst erfolgende Energieumsatz der Glimmentladung an den hievon betrof-
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fenen andern spannungsführenden Bauteilen nachteilige und unerwünschte Wirkungen. Insbesondere be- trifft dies die isolierten Stromeinführungen, an denen Glimmentladungen innerhalb kurzer Zeit zu einer unzulässigen Verringerung der Isolationswirkung und zu Zerstörungen führen.
Die Durchführung von Prozessen mittels Glimmentladungen erfordert einen hohen Energieumsatz an i vorbestimmten Flächen bei möglichst grossen Strömen. Derartige Stromstärken konnten aber bisher ent- weder überhaupt nicht, oder höchstens nur ganz kurzzeitig hergestellt werden, wobei einigermassen sta- bile Entladungszustände nur mit hohen Impedanzen in den Speisestromkreisen erzielbar waren, was einen hohen technischen Aufwand und schlechten Wirkungsgrad mit sich brachte. Dementsprechend haben sich auch solche Glimmprozesse in industriellem Massstab bisher nicht eingeführt und sind mehr oder weniger I nur laboratoriumsmässig untersucht worden.
Ferner war bisher der grösstmögliche Energieumsatz in derar- tigen Entladungsgefässen durch die maximal zulässige Entladungsbeaufschlagung der Stromeinführungen beschränkt, u. zw. auf relativ niedrige Werte im Vergleich zu den für die Durchführung technischer Pro- zesse erwünschten Leistungen.
Nach einem noch nicht veröffentlichten Vorschlag kann aber eine Glimmentladung mit einer steti- gen Strom-Spannungscharakteristik bei Stromwerten jenseits des normalen und anormalen Kennlinienbe- reiches der bekannten stromschwachen Glimmentladungen (Fig. l, Kurve 65-67) durch eine gleichzeitige
Steigerung von Strom und Gasdruck in Form eines Anlaufvorganges geschaffen werden. Zur Erläuterung dieser Möglichkeit muss man zunächst davon ausgehen, dass die in Fig. 1 schematisch dargestellte Strom-
Spannungskennlinie 65-67 einer bekannten stromschwachen Glimmentladung jeweils unter Konstanthal- tung des Druckes ermittelt wird, und nur für einen ganz bestimmten Druckbereich gültig ist.
Geht man nun von der Annahme aus, dass oberhalb dieses Druckbereiches entsprechende andere Kennlinien gültig sind, deren Existenz bisher nur aus dem Grunde nicht nachweisbar war, weil in diesen Druckbereichen un- ter Voraussetzung einer kalten Kathode eine selbstzündende oder durch Hilfsvorrichtungen wie Zündelek- troden zündbare Glimmentladung gar nicht mehr auftreten kann, sondern sich unmittelbar eine Bogenent- ladung ausbildet, so kann man zum Nachweis der Existenz dieser Kennlinien den Versuch unternehmen, ausgehend von einer stromschwachen Glimmentladung durch gleichzeitige Steigerung von Strom und Gas- druck zunächst auf eine erste solche fiktive Kennlinie zu springen und dann durch weitere gleichzeitige
Steigerung v9n Strom und Gasdruck jeweils von einer fiktiven Kennlinie zur nächsthöheren zu springen.
Dieser Versuch führte zum Erfolg.
Die gleichzeitige Steigerung von Strom und Gasdruck konnte dabei entsprechend dem in Fig. 1 gezeigten Kennlinienteil 66 bis zu hohen Endwerten gesteigert werden, bei denen unter Voraussetzung einer kalten Kathode eine selbstzündende oder durch Hilfsvorrichtungen wie
Zündelektroden zündbare Glimmentladung überhaupt nicht mehr auftreten kann und bei denen eine vor dem Übergang in eine Bogenentladung sichere Glimmentladung nur durch Anwendung der genannter. gleichzeitigen Steigerung von Strom und Gasdruck unter ständiger Aufrechterhaltung einer Glimmentla- dung während des gesamten Steigerungsvorganges erzielbar ist.
Der Grund dafür, dass unter diesen Voraussetzungen eine Glimmentladung bis zu so hohen Endwerten aufrechterhalten werden kann, ist darin zu suchen, dass infolge der Steigerung des Druckes und der da- durch pro Raumeinheit entstehenden grösseren lonenzahl eine wesentlich grössere Intensität der Glimm- entladung auftritt, die zu einer Erwärmung der Kathode führt. Infolge dieser Erwärmung steigt die Zahl der an der Kathode ausgelösten Elektronen und bleibt daher gross genug, um die selbständige Aufrechterhaltung der Glimmentladung zu ermöglichen.
Dagegen ist eine Glimmentladung unter Voraussetzung einer kalten Kathode in diesen Druckbereichen nicht mehr zündbar, weil die Zahl der pro 100 Ionen an einer kalten Kathode ausgelösten Elektronen in diesen Druckbereichen nicht mehr so gross ist, dass die ausgelösten Elektronen auf ihrem Wege zur Anode wieder 100 Ionen erzeugen könnten. Die zur Ausbildung einer selbständigen Glimmentladung notwendige lawinenförmige Aufschaukelung des Ionen- und Elektronenstromes ist daher nicht möglich.
Dieser mit der Bezeichnung"Anlaufvorgang"umschriebene gleichzeitige Steigerungsvorgang von Strom und Gasdruck steht insofern in einem engen Wirkungszusammenhang mit dem Gegenstand vorliegender Erfindung, als diese Massnahme erst die Voraussetzungen dafür schafft, dass die dem Gegenstand vorliegender Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung, nämlich die Konzentration der Entladungsenergie auf die Prozessflächen einerseits und die Entlastung der andern spannungsführenden Flächen anderseits zu bewirken, durch eine bestimmte Ausbildung und Anordnung der Elektroden sowie der span nungsführenden Flächen innerhalb des Entladungsgefässes erzielt werden kann.
Um dies näher zu erläutern, muss zunächst einmal darauf hingewiesen werden, dass im Druckbereich stromschwacher Glimmentladungen an allen spannungsführenden Teilen unabhängig von deren örtlicher Lage eine Glimmentladung etwa gleicher Intensität auftritt. So ist im Druckbereich stromschwacher
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Glimmentladungen bei einer Vergrösserung des Abstandes zwischen Kathode und Anode nur eine gegen- über der Gesamtspannung ganz geringfügige Spannungserhöhung notwendig, um die gleiche Intensität aufrechtzuerhalten. Das erklärt sich daraus, dass durch eine Erhöhung des Abstandes nur die positive Säule verlängert wird, über der die Feldstärke wesentlich geringer als die im Gebiet des Kathodenfalles herr- schende Feldstärke ist.
Man kann daher für eine stromschwache Glimmentladung umgekehrt schliessen, dass sich bei Auf- rechterhaltung der Spannung und Erhöhung des Abstandes die Intensität der Glimmentladung nur ganz ge- ringfügig verringert bzw. annähernd konstant bleibt. Demgemäss tritt auch an allen spannungsführenden
Teilen praktisch unabhängig von deren örtlicher Lage bei einer stromschwachen Glimmentladung etwa die gleiche Intensität auf, vorausgesetzt natürlich, dass die Spannung mindestens so hoch ist, dass eine vollständige Bedeckung der Kathode vorhanden ist, dass also der Betrieb im Bereich des anomalen Ka- thodenfalles erfolgt.
Es ist ferner allgemein bekannt, dass sich die Feldstärke sowohl im negativen Glimmlicht wie auch in der positiven Säule einer Glimmentladung proportional dem Druck verhält, und dass weiterhin die
Länge des negativen Glimmlichtes bzw. die"Fallraumdicke"in weiten Bereichen umgekehrt proportional dem Druck ist.
Daraus ergibt sich, dass die Höhe des Kathodenfalles, also die über den Kathodenfall abfallende
Spannung, in diesen Bereichen unabhängig vom Druck praktisch konstant bleibt, denn wenn sich die
Länge des negativen Glimmlichtes, also des Gebietes des Kathodenfalles umgekehrt proportional dem
Druck und die Feldstärke im negativen Glimmlicht proportional dem Druck verhält, dann bleibt das Pro- dukt Feldstärke x Länge = Spannung konstant.
Bei gleichbleibender Höhe der über dem Kathodenfall abfallenden Spannung und proportional dem
Druck ansteigender Feldstärke in der positiven Säule nähert sich die Spannungsverteilung über einer Ent- ladungsstrecke mit steigendem Druck mehr und mehr einem linearen Anstieg, also der Spannungsvertei- lung über einem rein ohmschen Widerstand. Dagegen weicht die Spannungsverteilung über einer Entla- dungsstrecke im Druckbereich stromschwacher Glimmentladungen bekanntlich ganz wesentlich von der
Spannungsverteilung über einem ohmschen Widerstand ab. Vielmehr verhält sich der mittlere spezifische
Widerstand einer Entladungsstrecke im Druckbereich stromschwacher Glimmentladungen etwa umgekehrt proportional der Länge der Entladungsstrecke, wie man aus den Spannungsverteilungskurven der bekannten stromschwachen Glimmentladungen leicht entnehmen kann (s. z.
B. Küpfmüller, Einführung in die theoretische Elektrotechnik, Springer, Berlin 1941, Seite 144, Abbildung 141). entsprechend muss man sich eine im Druckbereich stromschwacher Glimmentladungen betriebene Entladungsstrecke in einzelne, zwischen den spannungsführenden Teilen mit verschiedenem Abstand liegende Strompfade aufgeteilt denken, deren mittlerer spezifischer Widerstand jeweils etwa umgekehrt proportional der Länge des entsprechenden Strompfades ist, so dass jeweils der Widerstand über die gesamte Länge bei allen Strompfaden bei vorausgesetzt gleichem Querschnitt derselben gleich ist, und dementsprechend an allen Teilen unabhängig von deren örtlicher Lage die gleiche Intensität auftritt wie auch bereits schon oben erwähnt.
Dem gegenüber nähert sich, wie bereits erwähnt, in Bereichen höheren Druckes die Widerstandscharakteristik einer Entladungsstrecke mit steigendem Druck mehr und mehr der Widerstandscharakteristik eines ohmschen Widerstandes an. Daher ist bei Erhöhung des Abstandes Kathode-Anode in diesen Druckbereichen eine ungefähr der Abstandserhöhung proportionale Spannungserhöhung notwendig, um die gleiche Intensität aufrechtzuerhalten. Stellt man sich dementsprechend eine im Bereich hohen Druckes betriebene Entladungsstrecke vergleichsweise in einzelne zwischen den spannungsführenden Teilen mit verschiedenem Abstand liegende Strompfade aufgeteilt vor, so ist in diesem Falle der Widerstand jedes einzelnen Strompfades bei vorgegebenem Querschnitt in erster Näherung entsprechend einem ohmschen Widerstand proportional der Länge.
Erfindungsgemäss sind daher bei einer Einrichtung zur Durchführung metallurgischer, chemischer und sonstiger technischer Prozesse mittels einer Glimmentladung mit einer stetigen Strom-Spannungscharak- teristik bei Stromwerten jenseits des normalen und anormalen Kennlinienbereiches stromschwacher Glimmentladungen die Elektroden sowie spannungsführenden Flächen innerhalb des Entladungsgefässes zur Erzielung einer gewünschten bzw. vorgegebenen Aufteilung des Energieumsatzes derart ausgebildet und angeordnet, dass die Länge derjenigen Strompfade, die auf den Flächen enden, auf die Entladungsenergie konzentriert werden soll, geringer als die Länge derjenigen Strompfade ist, die auf -den Flächen enden, die von Entladungsenergie entlastet werden sollen.
Diese erfindungsgemässe Lehre muss für den Fachmann auf dem Glimmentladungsgebiet insofern über-
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raschend sein, als er das schon erläuterte Intensitätsverhalten im Druckbereich stromschwacher Glimm- entladungen genau kennt und daher weiss, dass normalerweise die Intensität der Entladung an allen span- nungsführenden Teilen praktisch unabhängig von deren örtlicher Lage etwa gleich ist.
Bei erfindungsgemässen Einrichtungen, bei denen die Entladungsenergie auf die Innenwand einer ) Bohrung konzentriert werden soll, ist vorzugsweise das die Bohrung aufweisende Werkstück als Elektrode zu schalten und längs der Bohrungsachse eine Gegenelektrode anzuordnen. Zum Zwecke einer gleichzei- tigen Behandlung von einer Vielzahl von Werkstücken können erfindungsgemässe Einrichtungen vorteilhaft so ausgebildet sein, dass die Flächen, auf die die Entladungsenergie konzentriert werden soll, von einer
Vielzahl von Werkstücken gebildet werden.. Dabei sind bei Wechselspannungsbetrieb die Werkstücke vor- ) zugsweise gruppenweise an verschiedene Phasen der Wechselspannungsquelle anzuschliessen.
Bei Einrichtungen zur Durchführung von Prozessen chenr. 3cher Art können die Flächen, auf die die
Entladungsenergie konzentriert werden soll, vorzugsweise zumindest teilweise durch eine Gasschicht ge- bildet werden, innerhalb derer eine gewünschte chemische Reaktion von Gasbestandteilen stattfindet.
Dabei ist es vorteilhaft, in unmittelbarer Umgebung der Gasschicht eine nur katalytische Wirkung aufi weisende Elektrodenfläche vorzusehen, auf die sich die Entladungsenergie ebenfalls konzentriert.
Bei erfindungsgemässen Einrichtungen zur Durchführung von Prozessen chemischer Art sind die Län- gen der Strompfade vorzugsweise derart zu bemessen, dass bei der höchstzulässigen Belastung der Fläche, die von Entladungsenergie entlastet werden sollen, an den Flächen, auf die die Entladungsenergie kon- zentriert werden soll, wenigstens ein für eine vorbestimmte chemische Beeinflussung dieser Flächen not- I wendiger Mindestenergieumsatz erzielbar ist. Dieser Mindestenergieumsatz muss z. B. ausreichend sein, um eine vorbestimmte Substanz festen Aggregatzustandes oder die Schmelze einer vorbestimmten Sub- stanz an den Flächen, auf die die Entladungsenergie konzentriert werden soll, chemisch zu reduzieren.
Der Betrieb erfindungsgemässer Einrichtungen erfolgt vorzugsweise bei Druckwerten, bei denen die
Spannungsverteilung über der Entladungsstrecke angenähert der Spannungsverteilung über einem ohm- schen Widerstand entspricht.
Erfindungsgemässe Einrichtungen sind vorzugsweise zur Anwendung bei Verfahren bestimmt, bei de- nen die Glimmentladung zumindestens impulsweise bei Druck- und Stromwerten betrieben wird, bei de- nen unter Voraussetzung einer kalten Kathode eine selbstzündende oder durch Hilfsvorrichtungen wie
Zündelektroden zündbare Glimmentladung nicht mehr auftreten kann, sondern sich unmittelbar eine Bo- genentladung ausbilden würde und bei denen eine vor dem Übergang in eine Bogenentladung sichere
Glimmentladung nur durch einen vor Beginn des eigentlichen Betriebes durchgeführten Steigerungsvor- gang von Strom und Gasdruck mit Anfangswerten, bei denen eine zündbare Glimmentladung von an allen spannungsführenden Teilen praktisch unabhängig von deren örtlicher Lage etwa gleicher Intensität auf- tritt,
unter ständiger Aufrechterhaltung der Glimmentladung während des gesamten Steigerungsvorganges erzielbar ist.
Durch die Verwendung einer erfindungsgemässen Einrichtung für diese Verfahren werden also die
Mängel der bisher bekannten, im Bereich stromschwacher Glimmentladungen durchgeführter Prozesse, insbesondere die unerwünschte Energiebeaufschlagung auch derjenigen spannungsführenden Bauteile, die keine Prozessflächen bilden, vermieden.
Die Erfindung ist nachstehend in einigen Ausführungsbeispielen an Hand der Fig. 1 - 9 näher be- schrieben. Hiebei ist Fig. 1 ein Diagramm mit je einer typischen Strom-Spannungskennlinie der strom- schwachen und der stromstarken Glimmentladungen ; Fig. 2 und 3 je eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Entladungsgefässes; Fig. 4 ein Diagramm über den Anlaufvorgang; Fig. 5 eine Strom-
Spannungskennlinie für eine stromstarke Glimmentladung ;
Fig. 6 ein Diagramm für einen Absenkzyklus ;
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemässen Entladungsgefässes; Fig. 8 ein
Anlagenschema und ein erfindungsgemässes Entladungsgefäss zur Behandlung von Stahlrohren und Fig. 9 ein Längsschnitt durch eine Stromeinführung für das Entladungsgefäss nach Fig. 8.
Dem Verfahren, bei dem das erfindungsgemässe Entladungsgefäss Anwendung findet, liegt die durch jahrelange Untersuchungen erhärtete Erkenntnis zugrunde, dass der zur Durchführung von metallurgischen und chemischen Prozessen mittels Glimmentladungen im technischen Massstab erforderliche hohe Energie- umsatz bei Dauerbetrieb nur dann erzielbar ist, wenn ein ganz aussergewöhnlicher Entladungszustand er- reicht und aufrecht erhalten werden kann. Unter den mittels Glimmentladungen durchzuführenden technischen Prozessen wird dabei vor allem das Eindiffundieren von Stoffen in Metalloberflächen verstanden, also beispielsweise das Nitrieren (Einlagerung von Stickstoff), Borieren, Silizieren, Wolframieren usw., sowie Prozesse chemischer Art, wie Reduktionen, Hydrierungen, Polymerisierungenusw., und Schmelzprozesse aller Art.
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Ein derartiges Behandlungsverfahren ist verständlicherweise nur dann betriebssicher durchführbar, wenn es gelingt, einerseits einen stabilen Betrieb bei hoher Energie, bei höchsten Temperaturen und auch bei lokalen Störungen an den Prozessflächen aufrechtzuerhalten, und anderseits die energiereiche Glimm- entladung auf die zu behandelnden oder sonst am technischen Prozess beteiligten Flächen und die den- selben unmittelbar benachbarte Gasschicht zu konzentrieren, sei es dass diese Flächen metallische Werk- stücke oder nur Träger zu behandelnder Substanzen sind. Diese Konzentration des Energieumsatzes auf vorgegebene Flächen bzw.
Gasschichten ist einerseits aus Gründen der Wirtschaftlichkeit erforderlich, da nur an diesen am Prozess beteiligten Flächen ein zur Durchführung des Prozesses beitragender und nutzba- rer Energieumsatz erfolgt und der an andern Stellen im Entladungsgefäss - etwa an den Stromeinführun- gen, den Werkstückhalterungen, nicht zu behandelnden Werkstückflächen, Wandungen usw. - stattfin- dende Energieumsatz einen Leistungsverlust darstellt. Auch ein Entladungs-Nebenschluss, beispielsweise durch einen Stromweg von der einen Elektrode zur leitenden Wandung und von dort zurück zur andern
Elektrode bewirkt eine Wirkungsgradverminderung und muss vermieden werden.
Aber auch aus Gründen der Betriebssicherheit ist eine wenigstens teilweise Konzentration des Energieumsatzes auf die am Prozess beteiligten Flächen unbedingt erforderlich, da-wie bereits oben erwähnt-die ändern spannungsführen- den Bauelemente und insbesondere die Stromeinführungen im Dauerbetrieb nur mit einer bestimmten, relativ niedrigen Entladungsbeaufschlagung belastet werden dürfen.
Bekanntlich zeigt die Strom-Spannungskennlinie 65 einer beispielsweise mit Gleichspannung betrie- benen stromschwachen Glimmentladung bisher bekannter Art gemäss Fig. 1 einen sogenannten"norma- len"Bereich X und einen nach höheren Spannungswerten sich hieran anschliessenden"anomalen"Bereich
Y, wobei sich an den anomalen Bereich Y bei einer weiteren Stromsteigerung ein fallender Kennlinienteil anschliesst, der zum Punkt 67 führt, bei dem die Glimmentladung in einen Lichtbogen übergeht.
Das Strom-Spannungsdiagramm der Fig. 1 zeigt mit der Kennlinie 65 den typischen Verlauf von stromschwachen Glimmentladungen bei Gleichspannung gemäss dem bisherigen Stand der Technik und und Wissenschaft (s. z. B. Dosse, Mierdel,"Der elektrische Strom im Hochvakuum und in Gasen"Hirzel
1945, Seite 317, sowie Loeb"Fundamental Process of electrical Discharges in Gases" Verlag Wiley,
1947, Seite 606-608).
Der normale Bereich X der Entladung endet bei jenem Strom, bei dem die spannungsführenden Elektrodenteile vollständig von Glimmlicht bedeckt sind. Bei einer weiteren Spannungssteigerung nimmt Spannung und Entladungsstromstärke zu, wobei die grösser werdende Spannung, die sich bekanntlich weitgehend auf den sogenannten Kathodenfall unmittelbar vor der negativen Elektrode konzentriert bewirkt, dass die positiven Gasionen mit gesteigerter kinetischer Energie auf die Elektrodenfläche auftreffen. Bei Gleichspannungsbetrieb tritt dies an der Kathode dauernd auf, während bei Wechselspannungsbetrieb jede Elektrode während je einer Halbperiode zur Kathode wird.
Da aber, wie oben bereits erwähnt, zur Durchführung technischer Prozesse mittels elektrischer Glimmentladungen sehr hohe Energien erforderlich sind, musste eine neue Art von stromstarke Glimmentladungen entwickelt werden, um solche technischen Glimmentladungsprozesse durchführen zu können. Die Strom-Spannungscharakteristik 66 in Fig. 1 betrifft beispielsweise eine solche stromstarke Glimmentladung bei Stromwerten jenseits des mit stromschwachen Glimmentladungen erreichbaren Maximalstromes von etwa 1 Amp.
Zusätzlich zur Aufrechterhaltung solcher stromstarke Glimmentladungen in einem neuen Bereich des Strom-Spannungsdiagramms der Fig. 1 wurde ferner entdeckt, dass in diesem Bereich eine Konzentration der Entladungsenergie auf vorbestimmte Flächenteile erreicht werden kann, während andere Flächenteile, welche die gleiche negative Spannung besitzen, wenigstens teilweise entlastet werden, also einen geringeren Erergieumsatz aufweisen.
Das erfindungsgemässe Entladungsgefäss hat nur dann die gewünschte Wirkungsweise, wenn es bei einem Gasdruck betrieben wird, bei dem die Intensität der Glimmentladung in erheblichem Masse vom Abstand der spannungsführenden Teile abhängig ist. Das Zustandekommen und die Aufrechterhaltung einer Entladung bei einem solchen Gasdruck erfordert besondere Massnahmen. Eine derartige Massnahme besteht in uer Durchführung eines Anlaufvorganges, nach dessen Vollendung der stationäre Entladungsendzustand erreicht ist, der mit vorbestimmtem Energieumsatz und vorbestimmter spezifischer Leistung an den am Prozess beteiligten Flächen verläuft und im Dauerbetrieb aufrecht erhalten werden kann, wobei der Energieumsatz und die spezifische Leistung an allen andern Teilen vorgegebene Höchstwerte nicht überschreiten.
Erfindungsgemässe Entladungsgefässe sind dabei keineswegs auf bestimmte Elektrodenanordnungen und Formen der am Prozess beteiligten Flächen beschränkt und können praktisch in allen vorkommenden Fällen entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen aufgebaut werden. Jedenfalls stellen die zur Erläuterung des prinzipiellen Aufbaues erfindungsgemässer Entladungsgefässe dienenden Fig. 2,3 und 7 nur schematisch wiedergegebene Beispiele für geeignete Anordnungen dar. Wie weiter unten noch näher
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dargelegt wird, bedarf die Durchführung eines Prozesses, bei dem erfindungsgemässe Entladungsgefässe
Anwendung finden, je nach den erwünschten Ergebnissen und den zu behandelnden Gegenständen oder
Stoffen einer sorgfältigen Planung auf Grund gewisser, noch anzugebender Regeln.
Das Entladungsgefäss nach Fig. 2 zur Durchführung eines derartigen Prozesses ist beispielsweise für den Betrieb an einer Spannung konstanter Polarität aber nicht notwendigerweise konstanter Amplitude eingerichtet, und besteht aus dem abnehmbaren Oberteil 1 und dem Bodenteil 2, vorzugsweise beide aus elektrisch leitendem Material, etwa Metall. Die Teile 1 und 2 sind gasdicht miteinander verbunden und im Innenraum kann über die Gasabsaugleitung 3 und die Gaszuführungsleitung 4 eine Gasatmosphäre be- liebigen Druckes und beliebiger Zusammensetzung geschaffen werden. Der Oberteil 1 weist eine isolierte
Stromeinführung 5 auf, die hier den Anodenanschluss darstellt und im Bodenteil 2 ist eine entsprechende isolierte Stromeinführung 5 als Kathodenanschluss vorgesehen. Beide Durchführungen sind gasdicht in den entsprechenden Wandungen 1 bzw. 2 eingebaut.
Die Durchführung 6 trägt über geeignet ausgebildete
Halterungen 7 die im technischen Prozess zu behandelnden Gegenstände, hier beispielsweise das metall- sche Werkstück 8. Diesem gegenüber ist eine Elektrode 9 angeordnet, die an der Durchführung 5 befestigt ist und die Anode darstellt, aber am durchzuführenden technischen Prozess selbst nicht beteiligt sein soll.
Die Aufgabe besteht nun darin, die energiereiche Glimmentladung, in Fig. 2 gestrichelt mit 10 ange- deutet, möglichst weitgehend auf die am Prozess beteiligten Aussenflächen des Werkstückes 8 zu be- schränken und dort einen vorbestimmten Wert des Energieumsatzes bei vorgegebener spezifischer Leistung zu erreichen, ohne dass die andern spannungsführenden Teile, also die Innenseite der Stromeinführungen
5 und 6, die Halterungen 7 und die Elektrode 9 eine den zulässigen Höchstwert überschreitende Glimm- entladungsbeaufschlagung aufweisen. Auch die Innenwandungen der Gefässteile 1 und 2 sollen weitgehend frei von solchen störenden und Energieverluste ergebenden Glimmentladungen sein.
Die gleiche Aufgabenstellung liegt auch beim Wechselstrombetrieb eines derartigen Entladungsge- fässes 1, 2 vor, jedoch besteht, wie in Fig. 3 angedeutet, hiebei kein Unterschied mehr zwischen der
Anode und Kathode, weshalb nunmehr gleichzeitig zwei Werkstücke 8a und 8b dem gewünschten Prozess unterzogen werden können, die an der einen bzw. andern Halterung 7 bzw. 9 befestigt und mit den
Stromeinführungen 6 bzw. 5 verbunden sind. Die energiereiche Glimmentladung lOa und l0b soll hier möglichst weitgehend auf die beiden am Prozess beteiligten Aussenflächen der Werkstücke 8a, 8b be- schränkt werden.
Diese Aufgabenstellung - für die bisher bekannte Glimmentladungstechnik bei den für technische
Verwendungszwecke notwendigen Leistungen völlig undurchführbar-ist mittels eines erfindungsgemäss aufgebauten Entladungsgefässes lösbar, wenn einerseits der gewünschte Gasentladungsendzustand über einen Anlaufvorgang geschaffen, und anderseits wegen der in der Praxis auftretenden sehr unterschiedli- chen technischen Prozesse, der verschiedenen Werkstückformen, der eventuellen Rückwirkungen seitens der am Prozess beteiligten Flächen usw., eine sorgfältig Vorausplanung des erwünschten Prozesses er- folgt.
Für Entladungsgefässe ähnlich den Fig. 2 und 3, mit mindestens auf den Innenseiten elektrisch lei- tenden Wandungen, sind die nachstehenden Regeln zur Planung des erwünschten Prozesses zu berücksich- tigen, wobei die genannten technischen Grössen gegebenenfalls durch Vorversuche ermittelt werden müs- sen.
Gasdruck : Der mindestens erforderliche Druck ist durch die Bedingung gegeben, dass bei der er- wünschten spezifischen Leistung an den am Prozess beteiligten Flächen, diese stets vollständig und gleich- mässig durch die energiereiche Glimmentladung bedeckt sind.
Dabei darf derDruck jenen Mindestwert keinesfalls unterschreiten, bei dem die an allen andern span- nungsführenden Teilen und insbesondere an den Stromeinführungen auftretenden energieschwächeren
Glimmentladungen die jeweils für diese Teile höchstzulässige Entladungsbeaufschlagung nicht überschrei- tet.
Gasatmosphäre : Die Zusammensetzung der Gasatmosphäre aus den einzelnen Gaskomponenten wird von der Art des durchzuführenden Prozesses bestimmt. Je nach den beim Prozess verbrauchten oder neu entstehenden Mengen einzelner Gaskomponenten ist deren Ersatz bzw. Beseitigung durch eine entspre- chende Gaszuführung bzw. Gasabsaugung unter Beibehaltung des vorgegebenen Gasdruckes im Entladungsgefäss vorzusehen.
Elektrodenanordnung : Der Abstand zwischen den am Prozess beteiligten Flächen und den jeweiligen Gegenelektroden (die bei Wechselstrombetrieb ebenfalls am Prozess beteiligte Flächen sein können) soll klein sein im Vergleich zur Ausdehnung der am Prozess beteiligten Flächen.
Im Vergleich zu diesem Abstand ist der Abstand aller spannungsführenden Teile zu den Gefässwandungen möglichst gross zu machen.
Für die Abstände besteht jedoch die einschränkende Bedingung, dass dieselben nicht kleiner gewählt
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werden dürfen, als der doppelten Fallraumdicke der im Elektrodenzwischenraum bestehenden Glimment- ladungen entspricht.
Flächengestaltung : Die am Prozess beteiligten Flächen sind meist gegeben, jedoch ist vorteilhaft, dieselben möglichst gross zu machen gegenüber der Summe der Oberflächen aller sonstigen spannung- ) führenden Teile. Stehen sich dabei, wie etwa bei Hohlräumen, Flächen gleichen Potentials gegenüber, so muss der sogenannte"Hohlkathodeneffekt"berücksichtigt werden, der eine höhere Energieausbeute der
Glimmentladung liefert, sobald die Fallraumdicke etwa ein Viertel des Abstandes dieser Flächen vonein- ander überschreitet.
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:) Teile, sowie die Grösse der am Prozess beteiligten Flächen bestimmt. Anderseits ist die oben genannte
Forderung einer möglichst geringen Flächenausdehnung aller nicht am Prozess beteiligten Flächen mass- gebend für die zulässige Maximalgrösse des Entladungsgefässes.
Verhalten der am Prozess beteiligten Flächen : Ausser der Grösse und Formgestalt der am Prozess be- teiligten Flächen ist auch deren Verhalten unter den Anlauf- und Endzustandsbedingungen enuprechend zu berücksichtigen. Hiebei ist besonders deren Emissionsvermögen bei der vorgesehenen Prozesstemperatur und unter dem intensiven Ionenbombardement von Bedeutung, sowie eventuell zu erwartende Gasabgabe,
Verdampfung, Gasabsorption u. a. Materialeigenschaften.
Bei dem bereits erwähnten Anlaufvorgang wird zu Beginn ein Gasdruck und eine Elektrodenspannung eingestellt, die der jeweiligen nach den oben genannten Regeln gestalteten Elektrodenanordnung ange- passt sind und eine Glimmentladung bewirken, die wie üblich eine beliebige Ausdehnung aufweist. Die
Elektrodenspannung und der Gasdruck werden zweckmässigerweise sogar so gewählt, dass in der Anfangs- phase des Anlaufvorganges sämtliche spannungsführenden Teile mit einer Glimmhaut bedeckt sind. An den für nachteilige Auswirkungen solcher noch wenig energiereichen Glimmentladungenbesondersemp - findlichen isolierenden Stromeinführungen 5 und 6 sind noch näher zu beschreibende Mittel zu deren
Unschädlichmachung vorgesehen.
Nach Beseitigung aller derartigen Unvollkommenheiten der Oberflächenschicht, bedeckt das Glimm- licht die spannungsführenden Flächenteile als eine gleichmässige Leuchtschicht. Nunmehr wird (s. Fig. 4) unter ständiger Erhöhung des Gasdruckes und meist auch der Elektrodenspannung die spezifische Leistung der Entladung an den am Prozess beteiligten Flächen erhöht und damit der Energieumsatz stufenweise ver- grössert.
Ist durch die Anordnung der Gegenelektrode relativ zu den energie mässig zu begünstigenden
Werkstückflächen gewährleistet, dass die Entladungsstrecke zu den energiemässig zu begünstigenden Flä- chen kürzer als zu den zu entlastenden Flächenteilen gleicher Spannung ist, so wird mit steigendem Gas- druck der Entladungsstreckenwiderstand zu den begünstigten Flächen kleiner als zu den zu entlastenden Flächenteilen und es lässt sich erreichen, dass die spezifische Leistung der Glimmentladung an den nicht am eigentlichen Prozess beteiligten Flächen nicht im gleichen Ausmass ansteigt, unter Umständen sogar mehr und mehr sich verringert, so dass sich der Energieumsatz vor allem auf die erwünschten Flächen beschränkt,
die dadurch in zunehmendem Masse erhitzt werden und sich der für den durchzuführenden metallurgischen oder chemischen Prozess erwünschten Temperaturen nähern. Dieser Entladungsendzustand wird nach einer, für jeden Prozess und die Art und Grösse der beteiligten Flächen bzw. Gasschichten cha- rakteristischen Anlaufzeit erreicht, wobei dann die energiereiche Glimmentladung weitgehend auf die am Prozess beteiligten Flächen konzentriert ist, dort einen vorgegebenen Wert der spezifischen Leistung und des Energieumsatzes aufweist, während an allen andern spannungsführenden Teilen und insbesondere den Stromeinführungen die Entladungsbeaufschlagung einen gegebenen Höchstwert nicht überschreitet.
Die Glimmentladung während des Anlaufvorganges kann, falls erwünscht, durch Einschaltung einer Se- rienimpedanz, beispielsweise einer induktiven Impedanz, in den Speisestromkreis der Elektroden stabil- siert werden. Es kann an deren Stelle, oder auch zusätzlich, ferner eine praktisch trägheitslos wirkende
Steuerung der Elektrodenspannung vorgesehen werden, die bei jeder Überschreitung eines vorbestimmten und einstellbaren Maximalstromes oder beim Unterschreiten einer einstellbaren Mindestspannung eine kurzzeitige Absenkung der Spannung auf einen vorgegebenen Wert bewirkt, oder die Spannung ganz ab- schaltet. Beide Massnahmen dienen dazu, um eine unzulässige grosse lokale Erhitzung einzelner Flächen- teile beim plötzlichen Auftreten starker Unregelmässigkeiten der Oberflächenschicht, etwa bei Gasaus- brüchen, zu vermeiden.
Der Anlaufvorgang muss stets mit kleinerem Energieumsatz und niedrigerer spezifischer Leistung be- ginnen als für den angestrebten Endzustand vorgesehen, u. zw. sollte die Leistungsaufnahme des Entla- dungsgefässes, gemessen an den Stromeinführungen, nicht mehr als etwa 50 % derjenigen des Endzustan- des betragen, oder noch weit niedriger liegen. Der Gasdruck p und die Leistung N sind. für einen weiter unten noch näher erläuterten Prozess, abhängig von der Zeit t im Diagramm nach Fig. 4 wiedergegeben.
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Mit Vollendung des Anlaufvorganges ist, bei richtiger Planung des Prozesses gemäss den obengenannten Regeln, die Elektrodenanordnung, insbesondere bezüglich Temperatur und Beschaffenheit der am Prozess beteiligten. Flächen, in einem Zustand, der stabilen Dauerbetrieb gewährleistet. Falls erwünscht, kann das Entladungsgefäss nunmehr sogar für kürzere Zeiträume, beispielsweise einige Minuten lang, ausser Betrieb gesetzt und anschliessend sofort mit der vollen Leistung wieder in Betrieb genommen werden.
Das beschriebene Verfahren bei dem das erfindungsgemässe Entladungsgefäss Anwendung findet, er- möglicht dabei jede erwünschte Vergrösserung des Energieumsatzes der Glimmentladung bis zu beliebigen Temperaturen an den am Prozess beteiligten Elektrodenflächen, unter Gewährleistung einer stetig verlaufenden, stets ansteigenden Kennlinie, etwa wie in Fig. 1 mit 66 bezeichnet.
Der erreichte Endzustand ist dadurch. charakterisiert, dass nur in unmittelbarer Nähe der am Prozess beteiligten Flächen eine energiereiche Glimmentladung ermöglicht wird, deren Fallraumdicke jeweils viel geringer ist als der räumliche Abstand zwischen den am Prozess beteiligten Flächen und dem nächstgelegenen Gegenelektrodenteil. Diese dünne angenähert der Fallraumdicke entsprechende Gasschicht und die angrenzenden Flächen tragen den Hauptanteil zum Energieumsatz bei, u. zw. bei allen in Frage kommenden Gasen. Die Dicke dieser wirksamen Gasschicht ist natürlich von der Zusammensetzung der Gasatmosphäre und dem Gasdruck mitbestimmt. Dabei treten zumindest in Teilen der energiereichen Gasschicht atomare Gase auf, die bekanntlich eine ausserordentlich grosse chemische Reaktionsfähigkeit besitzen.
Der bei den Prozessen zwischen gasförmigen Reaktionspartnern, sowie den meisten Anwendungen für metallurgische Zwecke auftretende Gasverbrauch muss durch eine ständige Gaszufuhr zum Innenraum ausgeglichen werden, aber unter Aufrechterhaltung des vorgegebenen Gasdruckes.
Durch Einhaltung der oben beschriebenen Regeln und durch den Anlaufvorgang gelingt beispielsweise die Behandlung von Werkstücken, bei denenflächen bis zu 33'000 cma und mehr am Prozess beteiligt sind.
Das Verhalten beispielsweise einer derartigen Glimmentladung mit einem Energieumsatz von angenähert 17'000 Watt im Endzustand zeigt die Kurve A der Strom-Spannungscharakteristik nach Fig. 5. Wie bereits erwähnt, kann der Entladungsendzustand ohne Nachteil kurzzeitig unterbrochen werden, so dass die Aufnahme einer derartigen Kennlinie möglich ist. Die Kurve A wurde an einem Werkstück mit einer am Prozess insgesamt beteiligten Fläche F = 4000 cm2, bei einem Gasdruck P = 5, 7 mm Hg und einer im stationären Endzustand resultierenden Temperatur T = 5050 C der betreffenden Flächen ermittelt. Bei kontinuierlicher Erhöhung der Klemmenspannung U bis zum Wert B erhält man völlige Glimmlichtbedeckung der spannungsführenden Teile und bei weiterem Anstieg von U eine Steigerung der spezifischen Leistung
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deres Verhalten als bisher bekannte Glimmentladungen zeigt.
Die spezifische Leistung beträgt bei der irr.
Dauerbetrieb aufrechterhaltenen Stromstärke 1= 30 Amp. etwa 4,2 Watt pro cm2 Fläche, aber natürlich nur an den am Prozess beteiligten Flächen von F = 4000 cm2, dagegen weniger an allen andern spannungführenden Teilen, insbesondere den Stromeinführungen. Die im gleichen Diagramm wiedergegebene Kennlinie C betrifft die Behandlung eines Werkstückes mit einer spezifischen Leistung von 5,3 Watt pro cm2 an den am Prozess beteiligten Flächen bei höherem Gasdruck P = 10,5 mm Hg. Hier tritt in der Kennlinie beim Wert D der Elektrodenspannung U eine leichte Andeutung der für übliche Glimmentladungen charakteristischen Unstetigkeitsstelle auf. Bei beiden angegebenen Beispielen wird im Dauerbetrieb diese spezifische Leistung durch den noch zu beschreibenden Absenkzyklus auf einen erwünschten Mittelwert erniedrigt.
Wird beispielsweise die Kurve A der Fig. 5 in das Strom-Spannungsdiagramm von Fig. 1 eingetragen, so ergibt sich eine Charakteristik ähnlich dem Verlauf der Linie 66, die also in einem Bereich dieses Diagramms gelegen ist, in welchem nach dem bisherigen Stande der Technik keine Glimmentladung existieren sollte. Der grundlegende Unterschied zwischen diesen neuen stromstarke Glimmentladungen und den bisher bekannten stromschwachen Glimmentladungen entsprechend der Strom-Spannungscharakteristik 65-67 ist schon daraus ersichtlich, dass der Entladungsstreckenwiderstand U/I bei der Kennlinie 66 beispielsweise für I = 10 Amp. den Wert von etwa 45 Ohm besitzt, während der Entladungsstreckenwiderstand für den ansteigenden Ast der Kennlinie 65-67, wie oben bereits erwähnt, zwischen 3000 und 9000 Ohm. ist.
Das beschriebene Verfahren ist bei der erfindungsgemässen Anordnung und Ausbildung der Elektroden im Entladungsgefäss zur Durchführung ganz verschiedenartiger metallurgischer Prozesse geeignet, insbesondere zur Behandlung der Oberflächen von metallischen Werkstücken, beispielsweise zum Nitrieren von Stahloberflächen. Es gelingt dabei, auch sehr kompliziert geformte Flächen mit Vertiefungen und Bohrungen zu behandeln und an allen Stellen der betreffenden Oberflächen die gleiche spezifische Leistung
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zu erzielen, falls dies erwünscht ist.
Beispielsweise ist es möglich, die Innenwandung von Stahlrohren zu behandeln, wobei der Durchmesser zwischen 0,5 und 2 cm betragen kann und hiebei dann spezifische
Leistungen von 0,5 bis 6 Watt pro cm2 Fläche mit einer Elektrodenspannung in der Grössenordnung von
400 bis 600 Volt und einem Gasdruck von 2 bis 15 mm Hg erzielbar sind. Auch bei Bohrungen grösseren 'Durchmessers von 2 bis 10 cm lassen sich an den Innenwänden, unter Verwendung etwa der gleichen elek- trischen Daten, entsprechende Prozesse durchführen. Der anzuwendende Gasdruck ist jeweils bei den kleineren Bohrungsdurchmessern niedriger und bei den grossen Durchmessern höher zu wählen.
Für Boh- rungen, bei denen die Länge kleiner als etwa der achtzigfache Durchmesser ist, kann durch geeignete
Wahl von Elektrodenspannung und Gasdruck erreicht werden, dass die energiereiche Glimmentladung die gesamte Innenwandung der Bohrung weitgehend gleichmässig bedeckt. Dagegen ist es bei einem Verhält- nis Durchmesser zu Länge der Bohrung von mehr als 1 : 80 zweckmässig, eine beispielsweise drahtförmige
Hilfselektrode längs der Bohrungsachse vorzusehen.
Je nach Art des durchzuführenden Prozesses kann da- bei diese axial verlaufende Gegenelektrode die Anode bilden, falls Gleichspannung zur Speisung des Ent- ladungsgefässes dient, und selbst keine, als zusätzliche Energiezufuhr wirkende Glimmentladung an der , Oberfläche aufweisen, oder aber bei Wechselspannungsbetrieb sich mit ihrer Oberfläche am Prozess be- teiligen, was wegen deren geringer Ausdehnung zu starker Erhitzung und zum Auftreten von gelegentlich erwünschten Sekundärprozessen führt, wie z.
B. dem Aufdampfen von Drahtmaterial auf die Innenwan- dung der Bohrung (Eindiffundieren von Chrom, Wolfram, usw.)
Bei der Durchführung metallurgischer Prozesse an Werkstückoberflächen ist meist eine ganz be- stimmte und innerhalb enger Toleranzen einzuhaltende Temperatur der am Prozess beteiligten Flächen erforderlich. Anderseits bedingt die wirksame Durchführung der erwunschten Reaktion häufig eine mög- lichst grosse spezifische Leistung an den betreffenden Flächen. Da die Flächentemperatur aber von der jeweils pro Werkstück ganz unterschiedlichen Wärmeabführung bedingt ist, kann nicht erwartet werden, dass der aus Gründen der Reaktion erwünschte hohe Energieumsatz mit der zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Flächentemperatur erforderlichen Energiezufuhr übereinstimmt.
Dies gilt besonders für die
Behandlung der Innenwandung von Rohren. da hiebei zwar Innen- und Aussenwandung am Prozess beteiligte
Flächen sein können, also der Energiezufuhr dienen, aber die Innenwandung zur Wärmeabfuhr nur sehr wenig beiträgt. Diese Schwierigkeit kann dadurch umgangen werden, dass die Elektrodenspannung vom
Sollwert des Entladungsendzustandes jeweils kurzzeitig auf einen niedrigeren Wert abgesenkt wird und diese Absenkung in einem vorbestimmten zeitlichen Zyklus wiederholt wird.
Beispielsweise zeigt für den gleichen Prozess, dessen Anlaufvorgang in Fig. 4 wiedergegeben ist, die
Fig. 6 den Absenkzyklus der Elektrodenspannung bzw. der Leistungsaufnahme N abhängig von der Zeit t, wobei jeweils ein Betriebsintervall von 0. 5 Sekunden Dauer einem Absenkintervall von 1, 5 Sekunden
Dauer folgt.
Durch geeignete Wahl des verbleibenden Energieumsatzes während der Absenkintervalle und durch Veränderung der Relation zwischen Betriebs-und Absenkintervall kann jeweils der zur Aufrechter- haltung einer vorgegebenen Oberflächentemperatur massgebliche zeitliche Mittelwert des Energieumsat- zes, hier beispielsweise 1,5 Watt pro cm2, eingestellt werden, und trotzdem die zur Erzielung des er- wünschten Prozesses unter Berücksichtigung der Wärmebilanz erforderliche hohe spezifische Leistung wäh- rend der Betriebsintervalle aufrechterhalten werden. Die zyklische Leistlmgsabsenkung hat sich besonders bei der metallurgischen Behandlung von Bohrungen als vorteilhaft erwiesen.
Hiebei ergibt die zyklische
Leistungsabsenkung noch einen wertvollen Nebeneffekt, u. zw. ändert sich mit den Leistujigsschwankun- gen auch der Gasdruck in der Bohrung, was bei geeigneter Wahl der Betriebs- bzw. Absenkintervalle einen Gasaustausch in der Bohrung ergibt. Ein solcher Gasaustausch ist aber erforderlich, um eine Verar- mung des Gasvolumens innerhalb der Bohrung an solchen Stoffen, die beim jeweiligen Prozess verbraucht werden, zu vermeiden.
Das Verfahren, bei dem das erfindungsgemässe Entladungsgefäss Anwendung findet, ist mit Vorteil sowohl für grosse Flächen einzelner Werkstücke wie auch für die gleichzeitige Behandlung kleiner Flächen an einer Vielzahl von Werkstücken verwendbar und es gelingt durch die erfindungsgemässe Anordnung der einzelnen Werkstücke, gegebenenfalls unter Verwendung von Hilfselektroden, die energiereiche Glimmentladung auf die am Prozess beteiligten Flächen der einzelnen Werkstücke zu beschränken. Bei Speisung des Entladungsgefässes mit Spannung konstanter Polarität werden die Werkstücke sämtlich als Kathode geschaltet.
Bei Speisung mit Wechselspannung können die Werkstücke gruppenweise zusammengeschaltet und an den einzelnen Phasen der Wechselspannungsquelle angeschaltet werden, also beispielsweise drei solche Gruppen bilden, wenn die Speisung durch eine Dreiphasen-Wechselspannungsquelle erfolgt ; vorteilhafterweise können die einzelnen Werkstücke in diesem Falle auch so angeschlossen werden, dass einander benachbarte jeweils an verschiedenen Phasen liegen.
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Das beschriebene Verfahren, bei dem mittels des erfindungsgemässen Entladungsgefässes eine Lei- stungsaufteilung erzielt wird, ist natürlich keineswegs auf die Durchführung metallurgischer Prozesse be- schränkt, sondern auch zur Erzielung chemischer Reaktionen anwendbar. Vor allem wegen der Anwesen- heit ionisierter und atomarer Bestandteile der jeweils vorhandenen Gasatmosphäre in jener Gasschicht, die sich in unmittelbarer Nachbarschaft der am Prozess beteiligten Flächen befindet und auf die ein gro- sser Anteil des Energieumsatzes entfällt. Derartige Bestandteile bilden sehr aktive Reaktionspartner für die Durchführung von Prozessen sowohl zwischen Gasen, als auch zwischen Gasen und festen bzw. flüssi- gen Substanzen.
Dabei wird die hohe kinetische Energie der Gaspartikel in dieser Schicht beispielsweise zur Erhitzung fester Körper zwecks Herbeiführung von Reaktionen mit der Gasatmosphäre ausgenützt.
Aber auch die chemische Beeinflussung der am Prozess beteiligten Flächen selbst ist sehr wirksam durchführbar. Beispielsweise ist es möglich, in einer Wasserstoffatmosphäre die Reduktion von Erzen durch- zuführen, wobei der Prozess entsprechend den oben genannten Gesichtspunkten gesteuert und dadurch weitgehend beherrschbar wird sowohl bezüglich der Reaktionsgeschwindigkeit wie auch der dabei auftre- tenden Temperatur, selbst dann, wenn grosse Mengen gasförmiger Reaktionsprodukte auftreten und abge- führt werden müssen.
Etwa bei der Behandlung oxydischer Erze in einer Wasserstoffatmosphäre liefert die
Reduktion neben Sauerstoff auch Wasserdämpfe, sowie je nach Art der Beimengungen auch andere gas- förmige Stoffe, u. zw. bereits während des Anlaufvorganges : nach Erreichen des Endzustandes ist dann die
Reaktion vollendet und falls erwünscht, kann das Endprodukt durch weitere Steigerung des elektrischen
Energieumsatzes zum Schmelzen gebracht werden. Je nach Art der zu behandelnden Stoffe erfolgt eine derartige Reduktion entweder, wie bereits erwähnt, im festen Aggregatzustand derselben, aber auch, falls erwünscht und zweckmässig, erst nach erfolgtem Schmelzen derselben.
Weiterhin sind an den am Prozess beteiligten Flächen, eventuell unter Ausnützung der hohen kine- tischen Energie der Gaspartikel in der den Flächen benachbarten Gasschicht, auch andersartige physika- lische und chemische Prozesse wie Diffusionsvorgänge, Abstäubung von Elektrodenoberflächen, Herbei- führung und Benützung katalytischer Wirkungen feinverteilter Stoffe, Hydrierungen, usw. durchführbar.
Bei allen derartigen chemischen und chemisch-physikalischen Prozessen gelten für den Anschluss der am Prozess beteiligten Flächen die gleichen Gesichtspunkte wie bei der oben erläuterten Behandlung von Werkstücken. Demnach stehen diese Flächen, also die zu behandelnden Substanzen, bei Gleichstromspei- sung mit der Kathode in Verbindung, während bei Wechselstromspeisung pro Phase eine derartige Reak- tionsfläche gespeist werden kann. Die Leistungsaufteilung der energiereichen Glimmentladung zugunsten der am Prozess beteiligten Flächen ist dabei durch einen Aufbau des Entladungsgefässes nach den kennzeichnenden Merkmalen des Erfindungsgegenstandes zu erreichen, ebenso wie bei der Behandlung von
Werkstücken bereits dargelegt wurde.
Das erfindungsgemässe Entladungsgefäss ist vorzugsweise mindestens teilweise und besonders an den
Elektrodendurchführungen mit elektrisch leitenden Wänden versehen, etwa wie in Fig. 2 und 3 schema- tisch dargestellt. Die Erfindung ist aber hierauf keineswegs beschränkt. Beispielsweise zeigt die Fig. 7 eine Gefässbauart, bei der die beiden kuppelartigen Enden 12. 13 aus elektrisch leitendem Material bestehen, aber voneinander durch ein zylindrisches Zwischenstück 14 aus Isoliermaterial getrennt sind. Die Stromeinführungen 5 bzw. 6 sind in den Endstücken 12 bzw. 13 vorgesehen. Die Gefässform kann natürlich weitgehend der Gestalt der zu behandelnden Gegenstände angepasst sein. Es würde an und für sich naheliegend erscheinen, durch Verwendung von isolierenden Wandungen in der Umgebung der Stromeinführungen auftretende Schwierigkeiten zu umgehen.
Jedoch ist dies nicht durchführbar, da isolierende Innenwandungen beim Betrieb sehr rasch elektrisch leitend werden (Aufstäubungen usw.).
Eine beispielsweise Ausführung eines erfindungsgemässen Entladungsgefässes samt Steuermitteln für die Durchführung eines Vergütungsprozesses der Innenwandung eines Stahlrohres zeigt die Fig. 8 in schematischer Wiedergabe. Das Entladungsgefäss besteht hier aus einer langgestreckten zylindrischen Kammer 15, die durch je einen oberen und unteren Abschlussdeckel 16 bzw. 17 gasdicht verschlossen ist. Die Wandungen der Kammer 15 und beide Abschlussdeckel 16,17 sind doppelwandig ausgeführt, um einen Kühlwasserstrom hindurchleiten zu können. Durch die beiden Abschlussdeckel 16, 17 ragt je eine isolierte Stromeinführung 18 bzw. 19 in den Innenraum.
Auch diese Durchführungen 18,19 sind wassergekühlt und der Kühlwasserstrom für das gesamte Entladungsgefäss wird zum Zuflussrohr 20 zuerst durch die Durchführung 19, über die Leitung 21 zum doppelwandigen Abschlussdeckel 17, durch diesen hindurch und über die Leitung 22 von unten aus in den Kühlmantel der Kammer 15 eingeleitet, verlässt denselben oben über das Rohr 23, strömt durch die doppelwandige Abschlussplatte 16 und über die Leitung 24 zur Durchführung 18 und gelangt von dort zur Abflussleitung 25. Im Innenraum des Entladungsgefässes ist beispielsweise an der oberen Durchführung 18 über den Bügel 26 ein Stahlrohr 27 aufgehängt, dessen Wandungen die am
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Prozess beteiligte Fläche sind.
Da die zu behandelnde Bohrung des Rohres 27 eine Länge aufweisen soll, die ihren Durchmesser um mehr als den achtzigfachen Wert übertrifft, ist als Gegenelektrode ein dünner Stab 28 vorgesehen, der auf der unteren Durchführung 19 befestigt ist und längs der Rohrachse durch die Bohrung freitragend hindurchragt, oder am oberen Ende mittels einer weiteren Stromeinführung an der Gefässwand abgestützt werden kann. Damit liegt also das Rohr 27 als eine Elektrode am Anschluss 29 und der Stab 28 als andere Elektrode am Anschluss 30. Die Temperaturmessung des Werkstückes 27 erfolgt über ein Einblickfenster 31 mittels eines Strahlungspyrometers 32.
Der Innenraum des Entladungsgefässes kann über die Gasabsaugleitung 33 und das Ventil 35 mittels einer geeigneten Pumpeinrichtung 34 in vorgegebenem Ausmass evakuiert werden. Eine Unterdruckmesseinrichtung 36 ist zur Anzeige des Gasdruckes vorhanden und steuert über das Gerät 37 das Gaszuflussventil 38 derart, dass der vorgesehene Gasdruck im Innenraum der Kammer 15 aufrecht erhalten wird. Die Zusammensetzung der Gasatmosphäre im Innenraum des Entladungsgefässeskann durch Gaszufuhr über die Leitung 39 beeinflusst werden, die über das die Zuflussmenge regelnde Ventil 38 beispielsweise aus zwei Gasflaschen 40 bzw. 41 über die Druckreduzierventile 42 bzw. 43 und die Absperrventile 44 bzw. 45 gespeist wird.
Die dargestellte Anlage mit zwei Gasflaschen 40,41 ist beispielsweise für die Verwendung eines inerten Gases, etwa Krypton, und die Zumischung eines andern Gases, etwa Stickstoff, für die Gasatmosphäre im Entladungsgefäss eingerichtet.
Die Elektrodenanschlüsse 29 und 30 sind hier mit dem negativen bzw. positiven Pol einer Gleichspannungsquelle 46 verbunden, wobei in der Zuleitung zum Anschluss 29 eine Serienimpedanz 47 vorgesehen ist, die mit dem Schalter 48 kurzgeschlossen werden kann. Die Gleichspannungsquelle 46 ist hier beispielsweise ein Gleichrichter, der am Anschluss 49 mit Einphasenwechselstrom gespeist wird und von der Regeleinrichtung 50 bezüglich seiner abgegebenen Spannung gesteuert werden kann. Diese Regelenrichtung 50 wird einerseits durch ein Kommandogerät 51 betätigt, anderseits aber auch durch die am Pyrometer 32 abgenommene der Temperatur proportionale Messspannung.
Die Gleichspannungsquelle 46 kann so eingerichtet sein, dass sowohl der positive wie auch der negative Pol erdfrei sind und das Entladungsgefäss selbst geerdet ist, oder es kann auch der positive Anschluss 30 samt dem Entladungsgefäss geerdet werden.
Während des Anlaufvorganges wird das Entladungsgefäss zweckmässigerweise von Hand gesteuert. Hie- bei ist der Schalter 48 offen, also liegt die Impedanz 47 zur Strombegrenzung der Glimmentladung im Elektrodenstromkreis. Die Steuereinrichtung 37 kann dabei zur Erzielung des erwünschten Gasdruckes ebenfalls von Hand gesteuert werden. Nach Vollendung des Anlaufvorganges wird die Serienimpedanz 47 kurzgeschlossen und die Elektrodenspannung automatisch auf einem Wert gehalten, der die vorgegebene Temperatur der am Prozess beteiligten Flächen gewährleistet, wozu die Temperaturmesseinrichtung 32 den Regler 50 entsprechend beeinflusst. Gleichzeitig wird seitens des Kommandogerätes 51 der Absenkzyklus der Elektrodenspannung über den gleichen Regler 50 bewirkt (s. z. B. Fig. 6).
Die betriebssichere Durchführung von technischen Prozessen dieser Art mittels energiereicher Glimmentladungen erfordert, wie die Erfahrung gezeigt hat, besondere Massnahmen an den isolierten Stromeinführungen 18 und 19, um dort die Ansammlung von Materialniederschlägen und die nachteiligen Auswirkungen von Glimmerscheinungen an den Isolierteilen zu vermeiden. Eine beispielsweise Ausführung einer solchen isolierten Durchführung zeigt die Fig. 9 im Schnitt längs der Achse, eingebaut in den doppelwandigen oberen Abschlussdeckel 16. Der Mittelleiter 52 mit dem in den Gefässinnenraum ragenden Befestigungsbolzen 52a für die Werkstückhalterung 26 (Fig. 8) ist für Wasserkühlung eingerichtet, wobei das Kühlwasser durch die Leitung 23 einströmt und durch die Leitung 24 ausfliesst.
Der Mittelleiter 52 ist mittels der Isolierstücke 53 und 54 vom Abschlussdeckel 16 isoliert, welche Isolierstücke durch die Überwurfmutter 55 gegen entsprechende Stützflächen im Abschlussdeckel 16 gepresst werden und einerseits einen gasdichten Abschluss, anderseits eine leichte Demontierbarkeit der gesamten Durchführung gewährleisten. Der Mittelleiter 52 trägt an dem nach dem Gefässinnenraum zugerichteten Ende eine metallische Muffe 56, die seitens einer an der Innenwandung des Abschlussdeckels 16 befestigten metallischen Kappe 57 teilweise abgeschirmt ist. Das in Fig. 12 ersichtliche Spaltsystem verhindert eine energiereiche Glimmentladung und erhöht dadurch den im Dauerbetrieb zulässigen Höchstwert der Entladungsbeaufschlagung der Stromeinführung.
Das Spaltsystem besteht aus dem Ringspalt 58 zwischen der (geerdeten) Kappe 57 und der spannungsführenden Muffe 56, dem Hauptspalt 59 zwischen der (geerdeten) Wandung 16 und der spannungsführenden Muffe 56, dem Querspalt 60 zwischen der spannungsführenden Muffe 56 und dem Isolator 54, sowie dem Ringspalt 61 zwischen dem Isolierstück 54 und der (geerdeten) Wandung 16. Durch die Verhinderung einer energiereichen Glimmentladung infolge geeigneter Dimensionierung des Spaltsystems und der Wasserkühlung kann eine derartige Stromeinführung bei der für technische Prozesse kaum zu vermeidenden Entladungsbeaufschlagungen völlig betriebssicher verwendet werden.