Ionenventil. Ionenventile, die als Leiter ein Edelgas oder einen Metalldampf, zum Beispiel Qlueck- silberdampf, benutzen, sind für grosse Lei stungen und mittlere Spannungen gewöhnlich mit einem Hauptgefäss aus Metall und einem Kathodenbehälter und Anodendurchführun gen aus Isolierstoff ausgeführt. Für sehr hohe Spannungen wird öfters empfohlen, die Anoden in den obern Enden von rohrförmi- gen Isolatoren anzubringen, die ausserhalb oder innerhalb des im Metall oder Isolier material ausgeführten Hauptgefässes liegen.
Diese rohrförmigen Isolatoren dienen dazu, das Entstehen allzu kleiner Abstände zwi schen den Anoden und den Gefässwänden zu vermeiden. Es wurde nrun gefunden, dass das Vorsehen derartiger Rohrisolatoren im all gemeinen nicht genügt, um Rückzündungen zu vermeiden, weil das elektrische Feld an gewissen Stellen allzu stark zusammen gedrängt wird, falls es lediglich durch die elektrostatische Wirkung bestimmt werden soll. Erfindungsgemäss wird deshalb im Isolierrohr der Anode ein Körper aus Wi derstandsstoff angebracht, der einen ge nügenden Widerstand besitzt, um zwischen seinen Enden die ganze Spannung zwischen Anode und Kathode ohne Überhitzung zu er tragen, und der dazu dient, die Feldverteilung im Isolierrohr während des Sperrzeitraumes im wesentlichen zu bestimmen.
Ausführungsbeispiele des Erfindungs gegenstandes sind in der beiliegenden Zeich nung dargestellt.
In der Zeichnung zeigt Fig. 1 ein voll ständiges Ionenventil (zum Beispiel als Gleichrichter arbeitend) in senkrechtem Schnitt mit besonderer Anodenausführung; F'ig. 2 zeigt eine andere Ausführungs form der Anoden in teilweisem senkrechtem Schnitt und Fig. 3 einen Querschnitt nach der Linie 3-d in Fig. 2; Fig. 4 zeigt eine Abänderung der Fig. 3; Fig. 5 bis 7 stellen weitere Ausführungs formen der Anoden in senkrechten Schnit ten dar.
In Fig. 1 bezeichnet 1 das Hauptgefäss' des Ionenventils, das zum Beispiel aus Eisen ausgeführt ist und einen Kondensierdom 2, einen isolierten Kathodenbehälter 3 und Kühlmantel 4 besitzt. Das Ionenventil ent hält ferner eine Zündanode 5\, Erregeranoden, deren eine bei 6 dargestellt ist, und Haupt anoden 7. Der Hauptteil der Strombahn von jeder Anode nach der Kathode ist von einem Isolierrohr 8, beispielsweise aus Porzellan, Glas oder Quarz, umgeben, das aus dem Hauptgefäss hinausragt und am obern Ende durch eine Metallkappe 9 abgeschlossen ist, die gegen das Rohr 8 und gegen den Anoden isolator abdichtet.
Das Rohr 8 enthält ein inneres Rohr 11 aus Leitungsmaterial hohen spezifischen Wi derstandes, zum. Beispiel Siliziumkarbid, wo bei das Ende des innern Rohres sich in klei nem Abstande von der Anode 7 befindet.
Das genannte Ende wird unter einer geeig neten Spannung gehalten, indem es entweder unmittelbar mit der Anode oder, wie gezeigt, mit einem Punkt, deren Stromquelle 12 (zum Beispiel der Sekundärwicklung eines Trans formators) verbunden ist, derart, dass das Rohrende wenigstens während des Sperrzeit raumes ein negatives Potential in bezug auf die Anode erhält. Das untere Ende des Wi derstandes kann eine Zuleitung 13 besitzen, um zum Beispiel eine nach einem bestimmten Gesetz wechselnde Steuerspannung aufzu drücken.
In gewissen Fällen kann jedoch das Aufdrücken einer derartigen Steuerpannung auf das Widerstandsrohr einen allzu grossen Energieverbrauch bedeuten und daher nicht wünschenswert sein. Man kann dann anstatt dessen die Steuerspannung auf ein besonde res, unterhalb des Rohres angebrachtes Gitter 14 mittelst eines Leiters 15 aufdrücken, wäh rend,das untere Ende des Widerstandsleiters 11 zum Beispiel mit einem Punkt von etwa Kathodenpotentiäl verbunden wird. Der Wi derstandsleiter soll jedenfalls imstande sein, die ganze Spannung zwischen Anode und Kathode ohne Überhitzung auszuhalten.
Da die Spannungsverhältnisse nahe der Anode nicht nur vom Widerstand des Roh res 11, sondern auch von der Temperatur, teils unmittelbar, teils mittelbar durch ihren Einfloss auf den Widerstand, beeinflusst wer den, ist es oft empfehlenswert, das äussere Isolierrohr durch eine Wärmeisolierung oder eine Heizvorrichtung zu umgeben, .die seine Temperatur auf einem bestimmten Wert hält. Eine derartige Vorrichtung ist bei 16 sche matisch dargestellt.
Der Durchmesser des Widerstandsrohres, beziehungsweise der mittlere Durchmesser, falls das Rohr von unregelmässiger Form ist (siehe weiter unten), soll vorzugsweise einen Wert nicht überschreiten, der eine genügende Einwirkung des Rohres auf die Feldvertei lung im leitenden Dampf ermöglicht. Diese Einwirkung beruht auf der Höhe der (aus positiven Ionen bestehenden) R.aumlädungs- schicht, welche den Widerstandskörper be deckt, wenn er in bezug auf die Kathode negativ ist, denn ausserhalb dieser Schicht hat der vorher ionisierte Dampf stets prak tisch das Potential der Kathode.
Die Höhe der Raumladungsschicht beruht ihrerseits auf dem Potential der in Frage kommenden Stelle des Widerstandskörpers und ist selbst für hohe Spannungen, bei dem Druck und der Temperatur, die gewöhnlich in den fraglichen Apparaten vorkommen, nur von der Grössen ordnung einiger Zentimeter. Bei aus regel mässigen Rohren bestehenden Widerstands körpern, die die kleinsten Verluste in der Strombahn ergeben, soll der Durchmesser des Rohres deshalb in einer gewissen Entfernung von der Anode kleiner als die zweifache ent sprechende Höhe der Raumladungsschicht sein.
In Fig. 1 ist die R.aumladungsschicht durch eine schwache wagrechte Schraffierung und ihre der Rohrwandung gegenüberliegende Grenze durch gestrichelte Linien angedeutet. Die Grenzfläche wird im wesentlichen eine Kegelfläche sein, da die Höhe der Schicht im wesentlichen proportional der- Spannung Lind letztere ihrerseits im wesentlichen pro portional der Entfernung vom der Kathode zugewandten Rohrende ist (gleichmässige Stromdichte und gleichmässiger spezifischer Widerstand vorausgesetzt). Die Spitze dieses Kegels muss in einer beträchtlichen Ent fernung von der Anode liegen, um eine hin reichende Sicherheit gegen Rückzündung zu ergeben.
Diese Sicherheit kann als im wesent lichen proportional der Höhe der die Anode von einem Punkt mit Kathodenpotential trennenden Raumladungsschicht angesehen werden. Falls die Spitze des Kegels in der selben oder in kleinerer Entfernung von der Anode als die Höhe der Raum ladungsschicht, welche die Anode selbst schaffen würde, liegen würde, wäre die Sicherheit nicht wesentlich grösser als die ohne das Rohr erhaltene. Die Entfernung der Kegelspitze von der Anode soll deshalb be deutend grösser sein als die Höhe der Raum ladungsschicht, welche die Anode selbst er gäbe, was in der Praxis bedeutet, dass der Halb messer des Rohres wesentlich kleiner als jene Schichthöhe sein soll.
Man kann die Sache auch so ausdrücken, dass! der Halbmesser des Rohres höchstens gleich der Schichthöhe sein darf, welche eine Spannung ergibt bei welcher eine ungeschützte Anode die Neigung zum Rückzünden zeigt. Die Länge des Roh res wird dann von der wirklichen Spannung zwischen Anode und Kathode bestimmt und wird um so viel grösser als die Länge des Kegels, als die wirkliche Spannung höher als die für eine ungeschützte Anode zulässige ist.
Man kann für gewöhnliche Verhältnisse etwa 50 Millimeter als eine zulässige obere Grenze für den Rohrdurchmesser ansehen, und zwar für den Hauptteil des Rohres; denn kürzere Stellen mit grösserem Durch messer haben keinen beträchtlichen Einfluss auf die elektrische Feldverteilung.
Eine Folge des Höchstmasses für das Rohr ist auch, dass der Strom pro Anode oder we nigstens pro Anodenrohr begrenzt wird, in Praxis auf etwa 75 Ampere bei Apparaten mit Quecksilberdampf niedrigen Druckes als Leiter. Für grössere Apparate wäre es dann nötig, den Strom auf mehrere Anoden oder wenigstens mehrere Anodenrohre zu verteilen.
In Fig. 2. ist die Anode 22 innerhalb des Hauptgefässes 2:1 angebracht und von einem Isolierrohr 28 umgeben, das in einem Stück mit dem Durchführungsisolator des Anodenschaftes ausgeführt ist. Das Rohr 28 enthält einen Widerstandskörper 28, der in Seitenansicht in Fig. 2 und im Querschnitt in Fig. 3 dargestellt ist.
An beiden Enden trägt der Körper Metallplatten 26, 27 zur Verbindung mit den Zuführungsleitern 24,25 und zur Verteilung des Stromes über seinen Querschnitt. Der Körper kann zum Beispiel gleich wie die freien Rohre der übrigen Fi guren, aus einem Stoff von verhältnismässig hohem spezifischen Widerstand bestehen, zum Beispiel aus Siliziumkarbid (Karbo- rundum, Silit), das einen spezifischen Wi derstand von etwa 1 Ohmzentimeter besitzt.
Fig. 4 zeigt im Querschnitt eine Ab änderung des Widerstandskörpers, indem er aus fünf parallelgeschalteten Stäben 29 an statt eines sternförmigen Stabes, wie in Fig. 2 und 3 besteht. Das praktische Ergebnis bleibt unverändert.
In Fig. 5 ist die Anode 52 von einem Isolierrohr 58 umgeben, das wieder aus dem Gefäss' 51 herausgeht. Der Widerstandskörper besteht hier aus einem innern Überzug 53 des Rohres 58. Da ein solcher Überzug ganz dünn sein kann, ist es möglich, ihn aus einem Stoff von verhältnismässig niedrigem spezifischen Widerstand, wie Graphit,-her- zustellen.
In Fig. 6 besteht der untere Teil des äussern Rohres aus einem aus dem Haupt gefäss 61 herausragenden Metallrohr 63 und nur der obere, die Anode umgebende Teil aus einem Isolierrohr 64. Der rohrförmige Widerstandskörper 65 erstreckt sich durch die beiden Aussenrohre.
In Fig. 7 ist das Aussenrohr 74 im Hauptgefäss 71 eingeschlossen und besteht ganz aus Isolierstoff. Die Anode 72 ist schalenförmig und der Widerstandskörper 75 bildet ihre direkte Fortsetzung. Das untere Ende des Widerstandsrohres wird in diesem Falle lediglich durch die Berührung mit dem ionisierten Gas auf dem geeigneten Potential gehalten, und da der Strom allmählich zum Gas herausfliesst, nimmt die Dicke des Roh res gegen das untere Ende ab, um eine gleich förmige Stromdichte und daher einen gleich förmigen Spannungsabfall zu geben.
Das Isolierrohr trägt an der Innenseite, unter halb und nahe der Anode, einen ringförmigen Wulst 76, um den Zutritt des Lichtbogens zur Aussenfläche der Anode zu verhindern. Die Widerstandskörper können übrigens ganz allgemein mehrere längs- oder quer laufende Wulste besitzen, um die wirksame Kontaktfläche gegenüber dem Gas zu ver grössern.
Ion valve. Ion valves, which use a noble gas or metal vapor, for example silver vapor, are usually designed for high power and medium voltages with a main vessel made of metal and a cathode container and anode lead-throughs made of insulating material. For very high voltages, it is often recommended to attach the anodes in the upper ends of tubular insulators, which are outside or inside the main vessel made of metal or insulating material.
These tubular insulators are used to avoid the creation of excessively small gaps between the anodes and the vessel walls. It has now been found that the provision of such pipe insulators is generally not sufficient to avoid backfiring because the electric field is too strongly compressed at certain points if it is only to be determined by the electrostatic effect. According to the invention, a body made of Wi resistance material is therefore attached in the insulating tube of the anode, which has a sufficient resistance to carry the entire voltage between the anode and cathode without overheating between its ends, and which serves to control the field distribution in the insulating tube during the blocking period essentially to be determined.
Embodiments of the subject invention are shown in the accompanying drawing voltage.
In the drawing, FIG. 1 shows a complete ion valve (working, for example, as a rectifier) in vertical section with a special anode design; F'ig. 2 shows another embodiment of the anodes in partial vertical section and FIG. 3 shows a cross section along the line 3-d in FIG. 2; Fig. 4 shows a modification of Fig. 3; Fig. 5 to 7 show further execution forms of the anodes in vertical Schnit th represent.
In FIG. 1, 1 designates the main vessel of the ion valve, which is made, for example, of iron and has a condensing dome 2, an insulated cathode container 3 and a cooling jacket 4. The ion valve also contains an ignition anode 5 \, exciter anodes, one of which is shown at 6, and main anodes 7. The main part of the current path from each anode to the cathode is surrounded by an insulating tube 8, for example made of porcelain, glass or quartz, which protrudes from the main vessel and is closed at the upper end by a metal cap 9 which seals against the tube 8 and against the anode insulator.
The tube 8 contains an inner tube 11 made of line material high specific Wi resistance to. Example silicon carbide, where the end of the inner tube is at a small distance from the anode 7.
Said end is kept under a suitable voltage by being connected either directly to the anode or, as shown, to a point whose power source 12 (for example the secondary winding of a transformer) is connected in such a way that the pipe end at least during the Locking period receives a negative potential with respect to the anode. The lower end of the Wi resistance can have a lead 13, for example to press a control voltage that changes according to a certain law.
In certain cases, however, the application of such a control voltage to the resistance tube can mean an excessively high energy consumption and therefore not desirable. You can then instead press the control voltage onto a special grid 14 attached below the tube by means of a conductor 15, while the lower end of the resistance conductor 11 is connected, for example, to a point of approximately cathode potential. The resistance conductor should in any case be able to withstand the entire voltage between the anode and cathode without overheating.
Since the voltage conditions near the anode are influenced not only by the resistance of the pipe res 11, but also by the temperature, partly directly, partly indirectly through its influence on the resistance, it is often advisable to use thermal insulation or a thermal insulation tube for the outer insulating tube To surround heating device, .which keeps its temperature at a certain value. Such a device is shown schematically at 16 cal.
The diameter of the resistance tube, or the mean diameter, if the tube is of irregular shape (see below), should preferably not exceed a value that allows sufficient action of the tube on the field distribution in the conductive vapor. This effect is based on the height of the charge layer (consisting of positive ions) which covers the resistance body when it is negative with respect to the cathode, because outside this layer the previously ionized vapor always has practically the potential of Cathode.
The height of the space charge layer is based on the potential of the point in question on the resistance body and is only of the order of a few centimeters, even for high voltages, at the pressure and temperature that usually occur in the apparatus in question. In the case of resistance bodies consisting of regular tubes that result in the smallest losses in the current path, the diameter of the tube should therefore be smaller than twice the corresponding height of the space charge layer at a certain distance from the anode.
In Fig. 1, the space charge layer is indicated by weak horizontal hatching and its boundary opposite the pipe wall is indicated by dashed lines. The interface will be essentially a conical surface, since the height of the layer is essentially proportional to the voltage and the latter in turn is essentially proportional to the distance from the end of the tube facing the cathode (assuming uniform current density and uniform specific resistance). The tip of this cone must be a considerable distance from the anode in order to provide adequate security against flashback.
This security can be viewed as essentially proportional to the height of the space charge layer separating the anode from a point with cathode potential. If the apex of the cone were at the same or smaller distance from the anode than the height of the space charge layer which the anode itself would create, the security would not be significantly greater than that obtained without the tube. The distance between the tip of the cone and the anode should therefore be significantly greater than the height of the space charge layer, which the anode itself would give, which in practice means that the diameter of the tube should be significantly smaller than that layer height.
You can also say that! the radius of the tube must be at most equal to the layer height, which results in a voltage at which an unprotected anode shows the tendency to re-ignite. The length of the pipe is then determined by the real voltage between anode and cathode and is so much greater than the length of the cone as the real voltage is higher than that permissible for an unprotected anode.
Under normal circumstances, about 50 millimeters can be regarded as a permissible upper limit for the pipe diameter, namely for the main part of the pipe; because shorter points with a larger diameter have no significant influence on the electrical field distribution.
One consequence of the maximum size for the tube is that the current per anode or at least per anode tube is limited, in practice to around 75 amperes for apparatus with low-pressure mercury vapor as a conductor. For larger apparatus it would then be necessary to distribute the current to several anodes or at least several anode tubes.
In FIG. 2, the anode 22 is attached within the main vessel 2: 1 and surrounded by an insulating tube 28 which is made in one piece with the bushing insulator of the anode shaft. The tube 28 contains a resistance body 28, which is shown in side view in FIG. 2 and in cross section in FIG. 3.
At both ends, the body carries metal plates 26, 27 for connection to the supply conductors 24, 25 and for distributing the current over its cross-section. The body can, for example, like the free tubes of the other fi gures, consist of a material of relatively high specific resistance, for example silicon carbide (carbide all around, silite), which has a specific resistance of about 1 ohm centimeter.
Fig. 4 shows a cross-section from a modification of the resistance body, in that it consists of five parallel-connected rods 29 instead of a star-shaped rod, as in FIGS. 2 and 3. The practical result remains unchanged.
In FIG. 5, the anode 52 is surrounded by an insulating tube 58 which goes out of the vessel 51 again. The resistance body here consists of an inner coating 53 of the tube 58. Since such a coating can be very thin, it is possible to produce it from a material with a relatively low specific resistance, such as graphite.
In Fig. 6 the lower part of the outer tube consists of a metal tube 63 protruding from the main vessel 61 and only the upper part surrounding the anode consists of an insulating tube 64. The tubular resistance body 65 extends through the two outer tubes.
In FIG. 7 the outer tube 74 is enclosed in the main vessel 71 and consists entirely of insulating material. The anode 72 is cup-shaped and the resistance body 75 forms its direct continuation. In this case, the lower end of the resistance tube is kept at the appropriate potential only by contact with the ionized gas, and since the current gradually flows out to the gas, the thickness of the tube decreases towards the lower end to produce a uniform current density and therefore to give a uniform voltage drop.
The insulating tube has an annular bead 76 on the inside, under half and close to the anode, in order to prevent the arc from reaching the outer surface of the anode. Incidentally, the resistance body can generally have several longitudinal or transverse beads in order to enlarge the effective contact area with respect to the gas.