vakuumentladungsapparat mit flüssigkeitsgekühltem, metallenem Takuumgefäss. Die Erfindung bezieht sich auf einen Vakuumentladungsapparat mit metallenem Vakuumgefäss, zum Beispiel aus Eisen, das aus einem Stück oder aus mehreren, zum Bei spiel durch Schweissen vereinigten Teilen be stehen kann und das mit Flüssigkeitsküh lung versehen ist. Der Vakuumentladungs- apparat kann ein Quecksilberdampfgleich- richter mit Quecksilber- oder Glühkathode, insbesondere ein Grossgleichrichter sein.
Un tersuchungen über die beim Betrieb solcher Apparate frei werdenden Gase haben bei Ge fässen, die vollkommen .dicht sind und bei höheren Temperaturen entgast worden waren, ergeben, dass im Vakuum grosse Mengen Wasserstoff frei werden. Es zeigte sich, dass dieser Wasserstoff aus dem Kühlwasser stammt.
Der Vorgang ist folgender: Im Kühlwasser ist mit steigender Tempe ratur ein zunehmender Gehalt an freien Wasserstoffionen vorhanden. Das Wasser wird bis zu einem gewissen Grad in H- und OH-Ionen dissoziert. Die H-Ionen oder H- Atome haben nun die Eigenschaft, durch Eisen, Stahl und die meisten technischen Eisenlegierungen hindurchzudiffundieren und als Wasserstoffgas aus den Wandungen aus zutreten. Diese allmähliche' Verschlechte rung .des Vakuums durch den eindringenden Wasserstoff machte es bisher unmöglich, Va kuumentladungsapparate mit einem Vakuum gefäss aus Metall dauernd ohne Pumpe zu betreiben, ausserdem hat sie Rückzündungen zur Folge.
Diese Rückzündungen treten um so häufiger auf, je höher die Temperatur des Gefässes ist und je länger der Apparat ohne Unterbrechung betrieben wird. Betriebs dauer und steigende Temperatur wirken näm lich beide in gleichem Sinne und haben im Innern und an der Oberfläche der Wandteile des Apparates eine Anreicherung an Wasser stoff zur Folge. Eine merkliche Verschlech terung des Vakuums braucht hiermit nicht verbunden zu sein, solange die elektrische Entladung im Apparat besteht, da der in das Vakuum austretende Wasserstoff durch die Entladung ionisiert und wieder an oder in die Wandungen zurückgetrieben wird.
Aber diese Beteiligung -der Entladung hat zur Folge, dass nicht nur die vom Kühlwasser bespülten Wandteile, sondern alle an das Va kuum angrenzenden Teile, zum Beispiel die Elektroden, mit Wasserstoff aufgeladen wer den. Sobald nun die elektrische Entladung kurzzeitig aussetzt, entsteht eine plötzliche Verschlechterung des Vakuums. An dieser plötzlichen Verschlechterung sind vor allem die heissen Metallteile, vorwiegend die Ano den, beteiligt, da der Wasserstoff von Me tallen in das Vakuum um so leichter und rascher abgegeben wird, je höher die Tem peratur dieser Metalle ist.
Bei längerem Be trieb mit Vollast kann die Aufladung mit Wasserstoff so hoch ansteigen, dass schliess lich sogar während des Sperrintervalles einer Anode eine erhebliche Menge Wasserstoff aus der Anode austritt und durch plötzliche Ver schlechterung !des Vakuums in der Um gebung der Anoden Rückzündungen hervor- ruf t.
Bekanntlich ist die Vermeidung des Auf tretens solcher Störungen eines der Haupt probleme beim Bau von Vakuumentladungs- apparaten, zum Beispiel Gleichrichtern.
Gemäss der Erfindung wird dies weit gehend dadurch erreicht, .dass Mittel vor gesehen sind, die bewirken, dass durch die Gefässwände höchstens so viel Wasserstoff ionen hindurchdiffundieren können, dass Me tallteile im Vakuumgefäss, zum Beispiel Elektroden, keine Wasserstoffaufladung er halten, welche eine den Betrieb gefährdende Wasserstoffabgabe in das Vakuum zur Folge haben könnte.
Diese Mittel können zum Beispiel darin bestehen; dass die nicht von der Kühlflüssig keit umschlossene äussere Oberfläche des Ge fässes so gross ist,,dass sie mindestens so viele Wasserstoffionen in die Atmosphäre entwei- ehen lässt, wie das Gefäss aus der Kühlflüs sigkeit aufnimmt. Dadurch erreicht man, dass keine den Betrieb beeinträchtigende Ver schlechterung :des Vakuums entstehen kann.
Der Vakuumentla-dungsapparat kann daher, wie die Versuche ergeben haben, dauernd ohne Pumpe betrieben werden, vorausgesetzt, dass das Vakuumgefäss porenfrei und bei höherer Temperatur entgast ist.
Ferner können zum Beispiel die Wan dungen des Gefässes aus einem Material be stehen, das Wasserstoffionen nur in vermin dertem Masse oder nicht aufnimmt, oder man kann eine Kühlflüssigkeit benutzen, die keine oder nur in verringertem Masse Was serstoffionen enthält. Schliesslich können Wandteile, die aus einem Material bestehen, das an sich Wasserstoffionen aufnehmen kann, mit vakuumdichten Überzügen ver sehen werden, die Wasserstoffionen nicht oder nur in genügend verringertem Masse aufnehmen.
Als Materialien, die bei Berührung mit dem Kühlwasser nicht oder nur in sehr ge ringem Masse Wasserstoffionen aufnehmen, kommen für die flüssigkeitsgekühlten Wand teile, zum Beispiel Zink, Aluminium und Chrom in Betracht. Auch Eisen kann ver wendet werden, wenn es mit einem genügend hohen Prozentsatz eines oder mehrerer dieser Metalle legiert ist. Versuche haben ergeben. .dass bereits ein Zusatz von 1 % Chrom die Aufnahmefähigkeit der Wandungen im Ver gleich zu reinem Eisen auf zirka '/1o" herab setzt. Durch höheren Chromgehalt kann .die Durchlässigkeit entsprechend stärker redu ziert werden.
Es kann aber auch der Wasserstoffionen- gehalt des Wassers durch Zusatz von Basen zum Wasser, zum Beispiel Kali oder Natron lauge, stark reduziert werden. Es ist auf diesem Wege möglich, die durch eine Wand hindurchdiffundierende Menge Wasserstoff auf @@loo und. weniger herabzumindern. Dies empfiehlt sich vor allem bei bereits besLehen- den Vakuumentladungsapparaten, die mit Wasserkühlung und Rückkühlanlagen ar beiten.
Durch eine einfache Rechnung kann fest gestellt werden, in welcher Menge die Basen zugesetzt werden müssen, um eine bestimmte Konzentrationsverminderung zu erreichen; beispielsweise ist in einer wässerigen Lösung von einem Mol Na,0IH pro Liter die Wasser stoffionenkonzentration zirka. 10 mal kleiner als im reinen Wasser mit derselben Tempera tur.
Vorteilhaft ist auch der Zusatz von Am moniak, weil dann nirgends reines Wasser kondensieren kann, sondern dieses sich sofort mit dem im Gasraume stets vorhandenen Ammoniak anreichert.
Als Kühlflüssigkeiten, die keine freien Wasserstoffionen enthalten, kommen Schwe felkohlenstoff, Toluol, Benzol, Xylol, säure freies Öl und andere mehr in Frage, vorzugs weise Flüssigkeiten mit kleiner Dielektrizi- tätskonstante. Je nachdem es sich um eine Kühlung mit forciertem Umlauf, mit freier Konvektion oder mit siedender Flüssigkeit handelt, wird die Wahl der Kühlflüssigkeit anders getroffen werden müssen, um die maximal mögliche Kühlwirkung zu erzielen.
Verwendet man derartige Kühlflüssig keiten ohne freie Wasserstoffionen, so kann man Materialien für die Gefässwände be nutzen, die an sich in der Lage sind, Wasser stoffionen aufzunehmen. Dies hat vielfach den Vorteil grösserer Billigkeit.
In der beiliegenden Zeichnung ist in Fig. 1 ein Gleichrichter mit einer Siedekühlein- richtung als Ausführungsbeispiel dargestellt.
1 ist,das Vakuumgefäss, 2 sind die Ano den, die von den Anodenhülsen 3 umgeben und mittelst Durchführungen 4 eingeführt sind, 5 ist die Kathode. Das. Vakuumgefäss, dessen Wandungen zum Beispiel aus Eisen bestehen, ist mit einem Kühlmantel 6 um geben, in dem sich das Kühlmittel, zum Bei spiel Benzol, befindet. Die beim Sieden ent stehenden Benzoldämpfe steigen in dem Rohr 7 auf und gelangen in den Kondensator 8, in dem sie kondensieren, das Benzol fliesst dann durch die Rahrleitung 9 wieder in die Kühl räume zurück.
Um chemische Umsetzungen der Kühl flüssigkeit zu vermeiden, welche die Bildung freier Wasserstoffionen zur Folge haben können, empfiehlt es sich, von der Kühlflüs sigkeit chemisch mit ihr reagierende Stoffe fernzuhalten. Insbesondere kann es vorteil haft sein, die Kühlflüssigkeit gegen die Atmosphäre dauernd dicht oder vakuumdicht abzuschliessen, wie auch aus dem Ausfüh rungsbeispiel gemäss Fig. 1 zu ersehen ist. Ausserdem kann man besondere Mittel vor sehen, um freie Wasserstoffionen enthal tende Verunreinigungen zu absorbieren. Zum Beispiel ist es immer möglich, aus der Kühl flüssigkeit Wasser durch Trockenmittel, zum Beispiel Phosphorpentoxyd, zu entfernen.
In Fig. 2. ist als weiteres Ausführungs beispiel ein Vakuumentladungsapparat ge zeigt, bei dem die Wandungen des Vakuum gefässes aus einem Material bestehen, das wie Eisen oder Stahl aus dem Wasser Wasser stoffionen aufnimmt. Die Kühlflüssigkeit zirkuliert jedoch in Räumen, deren Wandun gen, soweit sie mit den Wandungen des Va kuumgefässes innig metallisch verbunden sind, zum Beispiel durch Schweissen oder Löten, aus der Kühlflüssigkeit Wasserstoff ionen nur in genügend verringertem Masse oder garnicht aufnehmen können. Es hat sich nämlich gezeigt, dass der Wasserstoff über eine derartige Verbindung hinüber diffundiert und sich über weite Strecken zu sammenhängender Metallteile fortpflanzt.
In dem von dem Kühlmantel 6 umschlos- senenKühlraum sind Kühlrohre 10 aus Alu minium, Zink, Chrom oder einer Legierung aus Eisen und einem dieser Metalle unter gebracht. Die Zuleitung des als Kühlflüssig keit dienenden Wassers erfolgt durch die Rohrleitung 11 und die Ableitung durch die Rohrleitung 12. Der von den Rohren 10 frei gelassene Teil 13 des Kühlraumes ist zum Beispiel mit Zinn vergossen. Hierdurch ent steht ein inniger, metallischer Kontakt zwi schen den Wandungen,des Gefässes und den keine Wasserstoffionen aufnehmenden Kühl rohren 10.
Ein weiteres Beispiel besteht darin, dass die Wandungen der Kühlräume, soweit sie mit .den Wandungen des Vakuumgefässes 1 in innigem, metallischen Kontakt stehen, miü einem vakuumdichten Überzug aus einem Stoff, wie Aluminium, Zink, Chrom, Email, Lack usw. versehen sind, der aus der Kühl flüssigkeit keine Wasserstoffionen aufnimmt Es können also in Fig. 2 an Stelle der Kühl rohre aus Aluminium solche aus Eisen oder dergleichen mit einem vakuumdichten Über zug benutzt werden.
Es sei hierbei darauf hingewiesen, dass die zum Rostschutz üblichen Überzüge nicht vakuumdicht sind. Infolgedessen ist es er forderlich, die vakuumdichten Überzüge sorgfältigst herzustellen, da nur dann der Zweck der Erfindung erreicht wird.
Die angestellten Versuche haben weiter hin ergeben, dass, ob eine Metallwand aus destillierten oder Leitungswasser Wasser stoffionen aufnimmt oder nicht, durch Vor gänge in der Grenzfläche zwischen dem Was ser und dem Metall bestimmt wird. Auch im Innern von sonst nicht aufnahmefähigen Metallen, wie Zink, können Wasserstoffionen wandern, wenn sie auf forcierte Weise, zum Beispiel durch Ionisation des Wasserstoffes in einer Gasentladung, hereingebracht wer den; aus dem Wasser aber können solche Metalle ohne Anwendung elektrischer Ener gie keinen Wasserstoff. aufnehmen.
Dies hat den Vorteil, dass im Innern des Gefässes etwa vorhandener Wasserstoff allmählich durch die Wandungen des Gefässes herausgetrieben wird, während neuer nicht eindringen kann. Ohne Zweifel sind es elektrolytische Vor gänge in der Grenzfläche, welche das Ein dringen des Wasserstoffes in das Innere des Metalles zur Folge haben. Diese Ansicht wird auch da-durch bestätigt, dass an sich wenig aufnahmefähiges Metall, wie Kupfer, eine beträchtliche Aufnahmefähigkeit zeigt, sobald seine äussere Oberfläche nicht hin reichend rein ist.
Hieraus ergibt sich, dass Unreinlichkeiten der äussern Oberfläche, die eine erhöhte Auf nahmefähigkeit für Wasserstoff zur Folge haben, zu vermeiden sind.
vacuum discharge device with liquid-cooled, metal vacuum vessel. The invention relates to a vacuum discharge apparatus with a metal vacuum vessel, for example made of iron, which can be made of one piece or of several parts, for example combined by welding, and which is provided with liquid cooling. The vacuum discharge apparatus can be a mercury vapor rectifier with a mercury or hot cathode, in particular a large rectifier.
Investigations into the gases released during the operation of such devices have shown that large amounts of hydrogen are released in a vacuum in vessels that are completely .tight and have been degassed at higher temperatures. It turned out that this hydrogen comes from the cooling water.
The process is as follows: As the temperature rises, there is an increasing content of free hydrogen ions in the cooling water. The water is to a certain extent dissociated into H and OH ions. The H ions or H atoms now have the property of diffusing through iron, steel and most technical iron alloys and exiting the walls as hydrogen gas. This gradual deterioration in the vacuum caused by the penetrating hydrogen made it impossible to date to operate vacuum discharge apparatus with a metal vacuum vessel without a pump, and it also causes re-ignition.
These backfires occur all the more frequently the higher the temperature of the vessel and the longer the apparatus is operated without interruption. The duration of operation and the rising temperature both act in the same way and result in an enrichment of hydrogen inside and on the surface of the wall parts of the apparatus. A noticeable deterioration in the vacuum need not be associated with this as long as the electrical discharge exists in the apparatus, since the hydrogen escaping into the vacuum is ionized by the discharge and driven back onto or into the walls.
But this participation in the discharge has the consequence that not only the wall parts flushed by the cooling water, but all parts adjoining the vacuum, for example the electrodes, are charged with hydrogen. As soon as the electrical discharge stops for a short time, there is a sudden deterioration in the vacuum. The hot metal parts, mainly the anodes, are involved in this sudden deterioration, as the hydrogen from metals is released into the vacuum more easily and quickly the higher the temperature of these metals.
During longer operation at full load, the charge with hydrogen can increase so high that finally even during the blocking interval of an anode a considerable amount of hydrogen escapes from the anode and causes flashbacks due to a sudden deterioration in the vacuum in the vicinity of the anode t.
As is well known, avoiding the occurrence of such faults is one of the main problems in the construction of vacuum discharge devices, for example rectifiers.
According to the invention, this is largely achieved by .that means are provided which have the effect that at most as much hydrogen ions can diffuse through the vessel walls that metal parts in the vacuum vessel, for example electrodes, do not receive any hydrogen charge that would cause the Could result in hazardous hydrogen release into the vacuum.
These means can for example consist of; that the outer surface of the vessel, which is not enclosed by the cooling liquid, is so large that it allows at least as many hydrogen ions to escape into the atmosphere as the vessel absorbs from the cooling liquid. This ensures that no deterioration in the vacuum, which would impair operation, can arise.
As the tests have shown, the vacuum discharge device can therefore be operated continuously without a pump, provided that the vacuum vessel is free of pores and degassed at a higher temperature.
Furthermore, for example, the walls of the vessel can be made of a material that only absorbs hydrogen ions to a reduced degree or not, or a cooling liquid can be used that contains no or only a reduced amount of hydrogen ions. Finally, wall parts made of a material that can absorb hydrogen ions can be provided with vacuum-tight coatings that do not absorb hydrogen ions or only absorb them to a sufficiently reduced extent.
Materials that do not absorb hydrogen ions, or only absorb very little hydrogen ions when they come into contact with the cooling water, come into consideration for the liquid-cooled wall parts, for example zinc, aluminum and chromium. Iron can also be used if it is alloyed with a sufficiently high percentage of one or more of these metals. Tests have shown. .that an addition of 1% chromium reduces the absorption capacity of the walls in comparison to pure iron to about 1/10 ". A higher chromium content means that the permeability can be reduced correspondingly more.
However, the hydrogen ion content of the water can also be greatly reduced by adding bases to the water, for example potash or caustic soda. In this way it is possible to reduce the amount of hydrogen diffusing through a wall to @@ loo and. to diminish less. This is particularly recommended for existing vacuum discharge devices that work with water cooling and recooling systems.
A simple calculation can be used to determine the amount in which the bases must be added in order to achieve a certain reduction in concentration; For example, in an aqueous solution of one mole of Na.0IH per liter, the hydrogen ion concentration is approximately. 10 times smaller than in pure water at the same temperature.
The addition of ammonia is also advantageous, because then pure water cannot condense anywhere, but this is immediately enriched with the ammonia that is always present in the gas space.
Cooling liquids that do not contain any free hydrogen ions include carbon sulphide, toluene, benzene, xylene, acid-free oil and others, preferably liquids with a low dielectric constant. Depending on whether it is cooling with forced circulation, with free convection or with boiling liquid, the choice of the cooling liquid will have to be made differently in order to achieve the maximum possible cooling effect.
If you use such cooling liquids without free hydrogen ions, you can use materials for the vessel walls that are in themselves able to absorb hydrogen ions. This often has the advantage of greater cheapness.
In the accompanying drawing, FIG. 1 shows a rectifier with a boiling cooling device as an exemplary embodiment.
1 is the vacuum vessel, 2 are the anodes, which are surrounded by the anode sleeves 3 and inserted by means of bushings 4, 5 is the cathode. The. Vacuum vessel, the walls of which are made of iron, for example, is provided with a cooling jacket 6 in which the coolant, for example benzene, is located. The benzene vapors arising during boiling rise up in the pipe 7 and reach the condenser 8, in which they condense, the benzene then flows through the pipe 9 back into the cooling spaces.
In order to avoid chemical reactions of the cooling liquid, which can result in the formation of free hydrogen ions, it is advisable to keep away from the cooling liquid substances that chemically react with it. In particular, it can be advantageous to seal off the cooling liquid in a permanently tight or vacuum-tight manner from the atmosphere, as can also be seen from the exemplary embodiment according to FIG. 1. In addition, special means can be provided to absorb impurities containing free hydrogen ions. For example, it is always possible to remove water from the cooling liquid using a drying agent such as phosphorus pentoxide.
In Fig. 2. As a further embodiment, a vacuum discharge apparatus ge shows, in which the walls of the vacuum vessel are made of a material that absorbs hydrogen ions like iron or steel from the water. However, the coolant circulates in rooms whose walls, provided they are intimately connected to the walls of the vacuum vessel, for example by welding or soldering, can only absorb hydrogen ions from the coolant to a sufficiently reduced extent or not at all. It has been shown that the hydrogen diffuses over such a connection and propagates over long distances of related metal parts.
Cooling pipes 10 made of aluminum, zinc, chromium or an alloy of iron and one of these metals are accommodated in the cooling space enclosed by the cooling jacket 6. The water used as a cooling liquid is supplied through the pipe 11 and the discharge through the pipe 12. The part 13 of the cooling chamber left free by the pipes 10 is potted, for example, with tin. This creates an intimate, metallic contact between the walls, the vessel and the cooling tubes 10 that do not absorb any hydrogen ions.
Another example consists in the fact that the walls of the cooling chambers, insofar as they are in intimate, metallic contact with the walls of the vacuum vessel 1, are provided with a vacuum-tight coating made of a material such as aluminum, zinc, chrome, enamel, paint, etc. , which does not absorb hydrogen ions from the cooling liquid So in Fig. 2, instead of the cooling tubes made of aluminum, those made of iron or the like with a vacuum-tight over train can be used.
It should be noted here that the coatings customary for rust protection are not vacuum-tight. As a result, it is necessary to manufacture the vacuum-tight coatings as carefully as possible, since only then will the purpose of the invention be achieved.
The experiments have also shown that whether a metal wall made of distilled or tap water absorbs hydrogen ions or not, is determined by processes in the interface between the water and the metal. Hydrogen ions can also migrate inside otherwise non-absorbent metals, such as zinc, if they are brought in in a forced manner, for example by ionizing the hydrogen in a gas discharge; But such metals cannot extract hydrogen from water without the use of electrical energy. record, tape.
This has the advantage that any hydrogen present in the interior of the vessel is gradually driven out through the walls of the vessel, while new hydrogen cannot penetrate. There is no doubt that it is electrolytic processes in the interface that result in the penetration of hydrogen into the interior of the metal. This view is also confirmed by the fact that in itself less absorbent metal, such as copper, shows a considerable absorbent capacity as soon as its outer surface is not sufficiently pure.
This means that impurities on the outer surface, which result in an increased absorption capacity for hydrogen, must be avoided.