Indirekt geheizte Glühkathode für Entladungsröhren. Die indirekte Heizung von Entladungs röhren ermöglicht die Verwendung von elek trischen Strömen beliebiger Art und Be schaffenheit und daher auch die Verwendung beliebiger Stromquellen, ohne Rücksicht auf den Betrieb der Röhre. Man hat bereits vor geschlagen, derartige Röhren für den Betrieb mit denjenigen Spannungen herzustellen, die dem Verbraucher tatsächlich zur Verfügung stehen, wie etwa die üblichen Netzspan nungen.
Eingang in die Praxis haben diese Vorschläge für Flochspannungsheizung je doch kaum gefunden, wohl deshalb, weil sie hinsichtlich Ökonomie, Lebensdauer und An laufzeit bei der Inbetriebsetzung der Röhre nicht jenen Ansprüchen genügen konnten, die man bei den heute üblichen Systemen der indirekten Kathodenheizung zu stellen ge wohnt ist, bei denen der Heizstrom niedriger Spannung entweder besonderen Stromquellen entnommen oder durch transformatorische Umwandlung des Netzstromes erzeugt wird.
Durch die Erfindung soll eine von den eben genannten Mängeln freie indirekte Ka thodenheizung vom Netz aus geschaffen wer den, zu welchem Zwecke der -Heizdraht der art dimensioniert ist, dass er direkt an eine hohe Spannung angeschlossen werden kann.
Unter hoher Spannung ist in diesem Patent eine Spannung zu verstehen, die gross ist gegenüber der üblichen Heizspannung von 2 bis 6 Volt, vorzugsweise eine der üblichen Liohtnetzspannungen. Der H.cizdraht von grosser Länge ist daher zusammen mit Iso liermaterial innerhalb der emittierenden Schicht der Kathode derart unter Aus nutzung des Querschnittes der Kathode untergebracht, dass bei einer Leistungs aufnahme von der Grössenordnung weniger Watt, mindestens 1 Watt Heizleistung auf 1 ein= wirksame Kathodenoberfläche ent fällt.
Bei dieser Ausbildung der Röhre ist keine Änderung des üblichen Aufbaues der Elektrodenröhre erforderlich. Man muss je doch besondere Vorkehrungen treffen, um die vorhandene grosse Heizdrahtlänge in dem Raum innerhalb der Kathode unterzubringen, was dadurch erreicht werden kann, dass die Drähte in an sich bekannter Weise durch gehend spiralisiert sind und durch Hin- und Herführung des spiralisierten Drahtes in mäanderförmigen Windungen innerhalb der Glühkathode konzentriert werden.
Der Heiz- drabt braucht bei dieser Anordnung nur auf niedere Temperatur erhitzt zu werden, was für die Lebensdauer der Röhre von grösster Bedeutung ist. Hierbei treten zwischen den einzelnen Abschnitten des Heizdrahtes nur verhältnismässig kleine Spannungsdifferenzen auf, so dass es zur Verhinderung von Kurz schlüssen zwischen diesen Drahtabschnitten genügt, die Isolierschichten zwischen den Abschnitten so schwach als möglich zu wählen, was wieder zur günstigen Folge hat,
dass die Wärmekapazität des Kathoden körpers sehr klein wird und die Kathode bei Verwendung der üblichen kleinen Energie werte nach verhältnismässig kurzer Anlauf zeit ihre Betriebstemperatur erreicht. Damit ist man aber weiter in die Lage versetzt, den Heizfaden derart konzentriert - anzuordnen, dass sich die an ihn angelegte hohe Spannung sowohl kapazitiv, als auch induktiv nicht störend bemerkbar macht.
Diese Massnahmen erweisen sich- nicht nur als besonders wirksam in bezug auf die Unterbringung der grossen Drahtlänge, die hier erforderlich ist, sie gestatten auch eine ökonomische Austeilung, insbesondere aber eine Konzentration der Wärme und schaffen somit sehr günstige Heizungsverhältnisse.
Unter Ausnutzung dieses Umstandes kann die Heizdrahttemperatur auf ein Minimum gebracht werden, das nicht mehr sehr hoch über der für die Glühkathode .selbst erforder lichen Temperatur liegt, indem man im Rah inen der durch die Spannung einerseits und durch die für einen Dauerbetrieb noch zu lässige Erhitzung des Heizdrahtes anderseits bestimmten Grenzen die Drahtabmessungen derart wählt, dass die Heizung gerade mit jener Temperatur erfolgt, die bei der vor gesehenen Drahtausteilung noch ausreicht, um die Glühkathode auf der gewünschten Temperatur zu halten. Die Lebensdauer des Drahtes steigt .dadurch noch wesentlich.
In manchen Fällen erweist es sich als vorteilhaft, die Glühkathode einer Ent ladungsröhre aus selbständigen Einzelteilen < , herzustellen, die zueinander parallel ge schaltet werden, während die durch diese Teile hindurchgeführten Abschnitte der spiralisierten Heizdrähte hintereinander geschaltet werden. Es ist auf diese Weise möglich, günstige Emissions- und Heizver- hältnisse auch bei sehr hohen Heizspan- nungen zu schaffen.
Es ist ferner bekannt, dass bei der Her stellungsoperation der Glühkathoden wäh rend des sogenannten Ausheizens und Alterns eine Erhitzung der Kathode auf sehr hohe Temperaturen erforderlich ist. Würde nun der Heizdraht auf derart hohe Temperaturen erhitzt, so würde damit seine Lebensdauer wesentlich verkürzt.
Um nun die Vorteile zu erhalten, die durch die Erfindung in bezug auf die Verlängerung der Lebensdauer der Heizdrähte ermöglicht werden, kann neben dem spiralisierten Draht auch ein ein facher gewöhnlicher Heizdraht innerhalb der Glühkathode untergebracht ,sein, welcher mit getrennten Herausführungen versehen werden kann und der derart bemessen ist, dass er mit der üblichen niedrigen Spannung bereits die bei der Herstellung erforderliche, hohe Temperatur des Emissionsträgers (etwa 1200 - 1400 ) erzeugt. Nach der Fertig stellung der Lampe ist dieser Draht dann überflüssig; er kann daher auch erheblich überhitzt werden, weil seine Funktionsdauer nur kurz ist.
Der Draht kann jedoch auch so bemessen werden, dass man hilfsweise oder alternativ die Röhre auch im Betriebe mit geringen Spannungen beheizen kann, so dass also beispielsweise eine Röhre erhalten wird, die sowohl aus dem Netz, als auch durch Akkumulatoren beheizt werden kann. Die während der Herstellungsoperation erforderliche Erhitzung (wie das Ausheizen der Röhre oder das Altern der Kathode) kann jedoch auch auf einem andern Wege ohne Beanspruchung des Heizdrahtes vor genommen werden.
An Stelle eines mit emis sionsfähiger Schicht überzogenen Metall röhrchens kann eine mit emissionsfähiger Schicht versehene Drahtspirale Verwendung finden, welche für die Zwecke des Erhitzens auf hohe Temperaturen direkt beheizt wird, indem der zur Erhitzung dienende Strom durch die Drahtspirale hindurchgeleitet wird. Nach erfolgter Fertigstellung der Röhre während des Betriebes erfolgt jedoch die Heizung durch den innerhalb der Spirale untergebrachten Heizkörper. Auch in .diesem Falle kann durch geeignete Herausführungen dafür gesorgt werden, dass die Röhre gege benenfalls auch im Betrieb alternativ mit zweierlei Spannungen bezw. einmal als direkt, einmal als indirekt beheizte Röhre betrieben werden kann.
Derartige Glüh- kathoden können überall dort Verwendung finden, wo indirekt geheizte Glühkathoden vorgesehen .werden, insbesondere auch in Leuchtröhren und ähnlichen Entladungs röhren.
Die Erfindung ist in mehreren beispiels weisen Ausführungsformen in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 und 2 ein Ausführungsbeispiel einer Glühkathode, bei welcher ein zylindrisches, mit einer emittie renden Schicht überzogenes Röhrchen durch einen spiralisierten und mehrmals hin- und hergeführten Draht beheizt wird, wobei jeder Abschnitt sich innerhalb eines besonderen Isolierröhrchens befindet.
Die Fig.3 und 4 zeigen eine Ausfüh rungsform des Erfindungsgegenstandes, bei welcher die einzelnen Abschnitte des Heiz drahtes innerhalb von Kanälen eines kera mischen Isolierkörpers verlaufen, der den Hohlraum der Glühkathode ausfüllt. Gleich zeitig wird in diesen Figuren auch beispiels weise die Verlegung eines Hilfsdrahtes neben dem Heizdraht dargestellt.
Die Fig. 5 und 6 zeigen eine Ausfüh rungsform der Glühkathode, bei der die Emissionsschicht von einem kastenförmigen, sich im wesentlichen in zwei Ebenen er- streckenden Träger getragen wird. Die Ver legung des Heizdrahtes erfolgt bei dieser Ausführungsform ebenfalls innerhalb der Kanäle eines keramischen, den Hohlraum des Kastens ausfüllenden Isolierkörpers.
Die Fig. 7 zeigt eine weitere Ausfüh rungsform der Glühkathode mit einem Iso- lierkörper, ähnlich wie in Fig. 3 und 4, bei welcher jedoch die eigentliche Kathode aus einem spiralförmig gewundenen Draht be steht, auf welchem eine emissionsfähige Überzugsschicht aufgebracht ist. Fig. 8 zeigt in einem stark vergrösserten Schnitt eine wei tere Ausführungsform.
Die in den Fig.1 und 2 dargestellte, indirekt beheizte Glühkathode besteht aus einem hohlen zylindrischen Nickelröhrchen a, das eine emissionsfähige Schicht trägt, die durch einen im Innern des Röhrchens befind lichen Heizdraht b beheizt wird. Dieser Heiz draht ist, wie früher erläutert, von so grosser Länge, dass sein Widerstand ausreicht, um bei verhältnismässig hohen Spannungen die gewünschte Heizleistung bei der gewünsch ten, nicht zu hohen Temperatur abzugeben.
Zur gedrängten Unterbringung dieser Draht länge innerhalb des von der zu beheizenden Fläche eingeschlossenen Raumes wird der Heizdraht durchgehend spiralisiert und über dies in dem dargestellten Ausführungsbei spiel in vier mäanderfömigen Windungen im Innern der hohlzylindrischen Kathode hin- und hergeführt. Jeder Abschnitt der mäanderförmigen Hin- und Herführung liegt innerhalb eines besonderen Isolierröhrchens c, und alle vier Isolierröhrchen sind derart innerhalb der hohlzylindrischen Kathode an geordnet, dass sie den Hohlraum möglichst gleichmässig ausfüllen.
Anstatt den Heizdraht in Isolierröhrchen zu verlegen, kann er selbst nach Art der Emaildrähte mit einer Schicht aus isolieren der Masse versehen werden. Beispielsweise kann man die Spirale mit einem Überzug aus keramischem Material mit einem geeig neten Bindemittel besprühen und nach Er reichen einer genügenden Schichtdicke aus glühen, wodurch der Draht einen entspre- chenden Überzug erhält, der bei der angewen deten Mehrfachspirale derart ausgebildet wird, dass er gleichzeitig eine Deformation der Spirale verhindert.
Die Überzugsschicht kann auch aus reinem, geglühtem Alu- miniumoxyd, aus Zirkonoxyd oder einem ähnlichen Material bestehen, welches in der gleichen Weise aufgebracht wird.
Die Ausführungsform gemäss Fig. 3 und 4 unterscheidet sich von den soeben beschrie benen Ausführungsformen dadurch, dass an Stelle der einzelnen Isolierröhrchen bezw. an Stelle der Isolierung .der Drahtspiralen ein einziger keramischer Isolierkörper getreten ist, welcher das ganze Innere des hohlzylin drischen Kathodenröhrchens ausfüllt. Dieser Isolierkörper weist eine Reihe von Kanälen (im Ausführungsbeispiel gemäss Fig.3 und 4 vier Kanäle) auf, durch welche die Ileiz- drahtspiralen hindurchgeführt werden.
Dass eine genügende Länge des Heiz- fadens bei entsprechender Dicke des Drahtes innerhalb der Glühkathode untergebracht werden kann, zeigt folgendes Ausführungs beispiel: Es sei beispielsweise die Glühkathode an ein Lichtnetz von 110 Volt Spannung anzu schliessen. Die Kathode bestehe aus einem Nickelröhrchen von zirka 3 mm lichter Weite und zirka 30 mm Länge (was den üblichen Dimensionen entspricht). In diesem Falle wird eine Heizspirale verwendet, die aus Wolframdraht besteht, welcher einen Durch messer von 0,02 mm aufweist. Die genannte Heizdrahtlänge, welche in diesem Falle er forderlich ist, beträgt 17-0 cm.
Ein Draht von 170 cm glatter Länge wird durch Spirali- sieren leicht in eine Drahtspirale umgewan delt, die je nach dem Durchmesser der Win dung 80-140 mm Länge von Ende zu Ende aufweist. Diese Länge eines spiralisierten Drahtes kann innerhalb des von der Glüh- kathode eingeschlossenen Raumes leicht untergebracht werden, wenn der spiralisierte Draht höchstens vier Mal durch den Hohl raum hin- und hergeführt wird.
Ist die Spannung 220 Volt, so kann mit genau demselben spiralisierten Heizdraht das Auslangen gefunden werden. In diesem Falle werden zwei Glühkathoderiröhrchen neben einander angeordnet und parallel geschaltet, während die in ihnen untergebrachten Heiz drähte in Serie geschaltet werden.
Es ist in diesem Zusammenhange zu bemerken, dass es sich auch in verschiedenen Fällen als vorteil haft erweisen kann, mehrere Kathoden mit in Serie geschalteten Heizfäden anzuwenden, wobei diese Kathoden zu ein und demselben Elektrodensystem oder zu mehreren verschie denen Elektrodensystemen gehören können.
Es ist somit möglich, bei ganz normalen Draht- und Glühkathodendimensionen die üblichen Netzspannungen ohne jede Schwie rigkeit als Heizspannungen zu verwenden.
Die Drahtlänge -des Heizfadens kann, wie früher dargelegt, derart gewählt werden, dass der Heizdraht auf eine möglichst niedrige Temperatur gebracht wird, um eine mög lichst grosse Lebensdauer der Drahtspirale zu erzielen. In diesem Falle verlängert sich wohl die Gesamtlänge des Heizdrahtes im Vergleich zu jener Länge, die bloss mit Rück sicht auf die Spannung bezw. auf die für einen Dauerbetrieb noch zuzulassende Heiz drahttemperatur erforderlich wäre.
Infolge der gleichmässigen Verteilung des Heiz drahtes über die Fläche und zufolge der hier erzielbaren Konzentration der Wärme, sowie infolge der günstigen Wärmeübertragungs- verhältnisse ist es möglich, die Emissions schicht auf die erforderliche Temperatur von 700 bis 1000 zu bringen durch einen Draht, der selbst nicht sehr hoch über diese Tem peratur erhitzt wird. Es ist auch bei sehr dünnen Drähten möglich, eine Heizleistung anzuwenden, welche mindestens zirka 1 Watt pro cm2 Kathodenoberfläche, gewöhnlich noch wesentlich mehr beträgt.
Erst oberhalb dieser Grenze kann jedoch die günstigste, das heisst niedrigste Temperatur des Reiz fadens im Betrieb erzielt werden. Ein weiterer Schritt auf dem Wege, die Ökonomie und Lebensdauer der Röhren da durch zu verbessern, dass die Reizdrahttem- peratur möglichst herabgesetzt wird, besteht darin, die Anordnung so zu treffen, dass von der dem Heizdraht zugeführten Energie auf dem Wege zur Emissionsschicht nicht mehr verloren geht, als mit Rücksicht auf die zwi schen Heizdraht und Glühkathode erforder liche Isolierung eben überhaupt unvermeid lich ist.
Man geht hierbei so vor, dass der Heizdraht und das Kathodenmetall so nahe nebeneinander angeordnet weiden, als dies mit Rücksicht auf die erforderliche Isolation möglich ist, zu welchem Zwecke das Ka thodenmetall unmittelbar auf die den Heiz draht umgebende Isolierschicht aufgetragen und überdies diese Isolierschicht zwischen Heizdraht und Kathodenmetall so dünn als möglich gehalten ist.
Bei mit Niederspannung indirekt zu hei zenden Kathoden wurde bereits vorgeschla gen, das Kathodenmetall direkt auf den den Heizkörper umgebenden Isolierkörper aufzu tragen, doch selbstverständlich nicht zu dem Zwecke, um die Heizdrahttemperatur herab setzen zu können, da diese Temperatur für die Lebensdauer der bei Niederspannungs heizung verwendeten dicken Drähte prak tisch kaum eine Rolle spielt.
Bei Hochvolt kathoden hingegen, wo auch geringe Vermin derungen der Heizdrahttemperatur schon sehr ins Gewicht fallen, kommt dieser Mass nahme die Wirkung zu, die Lebensdauer der Röhre beträchtlich zu erhöhen. 'Voll wird der angestrebte Effekt allerdings noch nicht durch diese Massnahme allein, sondern viel mehr erst dadurch erreicht, dass man gleich zeitig auch die Isolierschicht zwischen dem Heizdraht und dem Kathodenmetall auf der noch zulässigen geringsten Stärke hält.
Es sind also beispielsweise bei der in Fig. 3 und -4 dargestellten Ausführungsform die Kanäle des Isolierkörpers c so anzuordnen, dass die Heizdrähte möglichst nahe der Aussenfläche dieses Isolierkörpers zu liegen kommen, so dass möglichst wenig von der von den Heizdrähten entwickelten Wärme für die Aufheizung des Isolierkörpers ver loren geht.
Auf diesen Isolierkörper wird das Kathodenmetall nicht wie vorhin he- schrieben, in Form eines für sich her gestellten Röhrchens aufgeschoben, wobei ein wärmeisolierender Zwischenraum zwischen Isolierkörper und Kathodenmetall vorhanden wäre, sondern unmittelbar aufgetragen, wo zu man sich irgend eines der bekannten Verfahren bedienen kann. Solche Ver fahren sind unter anderem das Aufspritzen des Metalles mittelst einer Zerstäubungs- pistole, das Aufdampfen, die elektrolytische Metallaufbringung, die Methode der Ka- thodenzerstäubung usw.
Man erhält dadurch eine mit der Isolierschicht innig verbundene und daher an dieser festhaftende Träger schicht für das Emissionsmaterial, welche wesentlich dünner gehalten sein kann, als das erwähnte Kathodenröhrchen und schon da durch eine kleinere Aufheizenergie in An spruch nimmt. Man kann gegebenenfalls mit der Stärke der Kathodenmetallschicht bis zu jener untern Grenze heruntergehen, bei wel cher diese Schicht eben noch an allen ihren Stellen eine zusammenhängende Fläche bil det.
Eine zur Erzielung einer sehr niedrigen Heizdrahttemperatur besonders günstige Aus führungsform ist in Fig.8 in einem stark vergrösserten Querschnitt dargestellt. In die sem Falle wird kein besonderer keramischer Isolierkörper verwendet, sondern der Heiz draht b trägt in der bereits beschriebenen Weise selbst eine isolierende Überzugs schicht c', die ihrerseits einen Überzug a' aus dem Kathodenmetall trägt. Auf dieser Trägerschicht a' befindet sich dann noch die nicht dargestellte Emissionsschicht.
Wie ersichtlich, wird bei einem so aus gebildeten Kathodenglühkörper die zur Be- heizung der Emissionsschicht aufzuwendende Energie dieser Schicht fast ohne Verluste zu geführt, so dass sich die Heizdrahttempera- tur von der Temperatur der Emissionsschicht nur mehr unwesentlich zu unterscheiden braucht. Durch diese vorteilhafte Anord nung wird auch die notwendige Aufheizzeit wesentlich vermindert.
Die in Fig. 5 und 6 dargestellte Ausfüh rungsform der Kathode zeigt einen kasten- förmigen Körper; welcher sich insbesondere zur Benützung in Verbindung mit kasten- förmigen Röhrenaufbauten eignet. In diesem Falle wird ein der Kastenform angepasster, annähernd schmalrechteckiger Isolierkörper innerhalb des Kastens vorgesehen, welcher eine grosse Zahl von Kanälen, im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind acht Kanäle dar gestellt, unterzubringen gestattet. Innerhalb dieser Kanäle wird dann der spiralisierte Heizdraht hin- und hergeführt.
Eine der artige Glühkathode kommt hauptsächlich für hohe Spannungen zur Verwendung.
Die während der Herstellungsoperation der Glühkathode bezw. der Entladungsröhre erforderliche hohe Temperatur der Glüh- kathode, die insbesondere während des so genannten Ausheizens und Alterns der Glüh- kathode angewendet wird und die zwischen 1200 und 1400 beträgt, wird mit Rücksicht auf die Lebensdauer des Heizfadens, welche ja möglichst gesteigert werden soll, am besten nicht durch diesen geliefert.
Vielmehr wird eine solche hohe Temperatur mit Hilfe eines besonderen Hilfsheizfadens f erzeugt, welcher durch das Kathodenröhrchen a neben dem eigentlichen Heizdraht hindurchgezogen ist (Fig. 3 und 4). Dieser Hilfsdraht kann von relativ grossem Durchmesser sein und kann auch sehr stark in Anspruch genommen wer den, da er während des weiteren Betriebes der Röhre ja ausser Wirkung gesetzt wird. Er braucht somit nur eine ganz kurze Lebens dauer aufzuweisen. Ein .solcher Draht kann infolge seiner Dimensionen bereits mit der üblichen niedrigen Spannung von 5 bis 20 Volt auf diejenige Temperatur gebracht wer den, welche erforderlich ist, um das Entgasen der Kathode rasch und bequem durchzu führen.
Auch das Altern einer derartigen Röhre mit dem Hilfsheizdraht ist infolge der raschen Erreichung sehr hoher Temperaturen leicht durchzuführen.
Der Hilfsdraht kann hierbei mit sepa raten Herausführungen versehen sein oder auch mit der eigentlichen Heizspirale an die gleichen Herausführungen angeschlossen wer- den. Im letzten Falle wird er nach Be endigung des Alterungsprozesses auf irgend einem Wege ausser Wirksamkeit gesetzt.
In Fig. 3 und 4 ist die Unterbringung eines derartigen Hilfsdrahtes f innerhalb einer durch einen Isolierkörper ausgefüllten Glühkathode dargestellt. Der Isolierkörper hat dann neben. den für die Heizdrahtspiralen erforderlichen Kanälen noch einen weiteren zentralen Kanal g, durch den der Hilfsdraht hindurchgezogen ist.
Gegebenenfalls kann der Hilfsdraht fauch an besondere Heraus führungen angeschlossen werden und per manent in der Röhre bleiben, so dass es mög lich ist, eine Entladungsröhre dieser Art mit zwei verschiedenen Spannungen, mit der Netzspannung sowohl, wie mit einer nie drigen Spannung wahlweise zu betreiben.
In Fig. 7 ist ferner eine weitere Ausfüh rungsform der Erfindung dargestellt, bei welcher die Kathode aus einem Kerndraht lt besteht, auf welchem die Emissionsschicht aufgetragen ist und der zu einer Drahtspirale mit eng beieinanderliegenden Wicklungen gewickelt wurde. Innerhalb dieser Draht spirale befindet sich wieder der Isolierkörper mit den Kanälen, welche für die Durchfüh rung des Heizdrahtes dienen. Ein eigener Hilfsdraht ist hier jedoch nicht vorgesehen, da der Draht der Spirale als .solcher verwend bar ist. Er wird zu diesem Zwecke zu ent sprechenden Herausführungen geführt.
Wäh rend des Ausheizens und Alterns der Röhre wird daher die Oxydkathode direkt geheizt, und zwar auf jene hohe Temperatur, welche für diesen Vorgang erforderlich ist. Nach Beendigung des Herstellungsvorganges im Betriebe kann dann eine indirekte Heizung mit Hilfe der spiralisierten Heizdrähte er folgen.
Es ist auch möglich, die Dimensio- nierung so zu treffen, dass eine wahlweise Heizung der Röhre, sei .es aus dem Netz, sei es mit Hilfe von Akkumulatoren geringer Spannung, erfolgen kann, so dass die Röhre nach Wahl sowohl als direkt, als auch als indirekt beheizte Röhre bei verschiedeneu Spannungen verwendet werden kann.