Verfahren zur Herstellung von Funkenstreekenelementen. Funkenstreckenelemente werden gegen wärtig für verschiedene Zwecke verwendet, vor denen der wichtigste die Verwendung in Hochfrequenzzündsystemen ist. Allgemein weisen solche Funkenstreckenelemente zwei voneinander distanzierte Elektroden auf, wel che bei der Anwendung eines solchen Ele mentes in einen elektrischen Stromkreis ein geschaltet werden, in vvelchem sieh eine Hochspannung entwickeln kann, so dass zwi schen den Elektroden eine Entladung statt findet. Diese Funkenentladung kann zur Er- zctgung von Hochfrequenzschwingungen in einem Arbeitskreis oder für andere Zwecke verwendet werden. Funkenstreckenelemente der genannten Art sind beispielsweise im Schweizer Patent Nr. 250500 beschrieben.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Verbesserung der Charak teristiken von Funkenstreckenelementen der beschriebenen Art. insbesondere bezüglich äusserster Stabilität dieser Charakteristiken lnd einer speziell stabilen Überschlagsspan- nrng.
In der beiliegenden Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegen standes dargestellt.
Fig. 1 ist ein Längsschnitt eines Funken- streekenelementes gemäss der Erfindung in einem während der Herstellung vorhandenen Zustand.
Fig.2 ist ein Schaltschema eines typi schen Impulsstromkreises, wie er in der Pra xis verwendet wird, und Fig. 3 ist ein Schnitt durch ein fertiges Funkenstreckenelement.
In Fig. 1 bezeichnen die Bezugszahlen 10 Funkenstreckenelektroden mit kreisförmigem Querschnitt, bestehend aus hitzebeständigem i Material, wie zum Beispiel Wolfram. Jede dieser Elektroden 10 ist an eine schalenför mige Elektrodenhalteplatte 11 aufgelötet oder sonstwie an diesen Platten 11 befestigt. Am Flansch 13 der Halteplatte 11 ist eine Endplatte 12 angeschweisst, die mit einem im Querschnitt U-förmigen Ringkanal 14 ver sehen ist.
Die Elektrode 10, die Halteplatte 11 und die Endplatte 12 bilden eine Elektrodenein- heit, die mit einer gleichen Einheit derart zusammenmontiert ist, da.ss die Elektroden 10 der Zusammenstellung in paralleler distan zierter Lage in Arbeitsstellung gehalten sind. Dies wird durch ein Distanzrohr 15 aus Glas oder aus anderem Isoliermaterial er reicht, dessen Enden in die Ringkanäle 14 der Endplatten eingesetzt sind. Vorzugsweise bestehen die Endplatten 12 aus einer Eisen Chrom-Legierung, welche direkt an Glas an geschmolzen werden kann, was eine stabile, hermetisch abgeschlossene Konstruktion er gibt.
Der innere, die Elektroden umgebende Raum, der von den Endplatten 12 und dem Distanzrohr 15 begrenzt ist, -steht anfänglich durch Öffnungen 16, die in den Elektroden- halteplatten 11 vorhanden sind, sowie durch Öffnungen<B>17</B> im Mittelteil der Endplatten 12, mit der Atmosphäre in Verbindung. Die eine Öffnung 17 kann durch eine Glashaube 18 verschlossen werden, während an die ent sprechende Öffnung 17 der andern Endplatte ein Glasrohr 19 angeschmolzen ist, das einen Kanal oder einen Durchgang schafft, durch welchen der innere Raum des Funkenstrek- kenelementes mit der äussern Atmosphäre in Verbindung stehen kann.
Da die Beschrei bung der Funkenstreckenelemente der be schriebenen Art und die Herstellung dersel ben in der vorerwähnten Schweizer Patent schrift Nr. 250500 vollständig enthalten sind. so ist eine detaillierte Beschreibung der Kon struktion derselben überflüssig.
Es isst gefunden worden, dass die Arbeits- charakteristiken eines Funkenstreckenelemen- tes der beschriebenen Art bedeutend verbes sert werden können, wenn es nach der end gültigen Zusammensetzung und vor dem Ver s c hliessen einer Spezialbehandlung Spezialbehandlung unterwor fen wird. Diese Behandlung besteht im Ein bau des Funkenstreckenelementes in einem typischen Impulsstromkreis, der periodisch Hochspannung zu den Elektroden des Fun kenstreckenelementes gelangen lässt. Der Im pulse erzeugende Stromkreis kann aus einer geeigneten Spannungsquelle bestehen, wie zum Beispiel einem üblichen Zündmagneten.
Die erzeugte Wechselspannung kann derart sein, dass sie bei ungefähr 1000 Perioden eine Spitzenspannung von 2000 Volt ergibt, wenn es ohne Funkenstrecke an einen Kondensa tor von 0,015 Mikrofarad gelegt wird. Der Arbeitskreis kann aus einem Leiter mit einer Zündkerze bestehen, welche in einer Stick stoff oder ein anderes geeignetes inertes Gas enthaltenden Bombe bei einem Druck von 3,5 at an der Spitze der Zündkerze arbeitet. Die periodischen Impulse können während eines Zeitraumes von 20 Stunden und mehr zur Einwirkung gebracht werden.
Es wurde gefunden, dass, wenn das Funkenstreckenele ment nach dieser Behandlung mit einem ge eigneten Gas gefüllt und verschlossen wird, ein Funkenstreckenelement mit besseren Cha rakteristiken und stark erhöhter Stabilität entsteht. Ein bevorzugtes Gas besteht in einer Mischung von Sauerstoff und Stick- Stoff und speziell einer Mischung mit unge fähr 21/2 % Sauerstoff und 971/2 % Stickstoff.
Ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens nach der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben, in wel cher Figur ein typischer Impulsstromkreis schematisch dargestellt ist. Der Stromkreis enthält einen Zündmagneten 20 mit einer Primärwicklung 21 und eine Sekundärviek- lung 22, welche miteinander induktiv gekop pelt sind. Das eine Ende der beiden Wick lungen ist geerdet, und parallel zur Primär wicklung 21 ist ein Kondensator 23 gelegt. Der Zündmagnet besitzt auch ein Paar Un terbrecherkontakte 24, die vom Drehnocken 25 betätigt werden.
Ein weiterer Kondensator 26 mit geeig neter Kapazität ist parallel zur Sekundär wicklung 22 des Zündmagneten gelegt. Das zu behandelnde Funkenstreckenelement 27 enthält die Elektroden 10 und ist an den üblichen Anschluss an der Sekundärwicklung 22, den Kondensator 26 und eine Primär wicklung 28 eines Aufwärtstransformators angeschlossen. Das andere Ende der genann ten Wicklung 28 ist geerdet. Die Primär wicklung 2.8 ist mit der Sekundärwicklung 29 des! Aufwärtstransformators induktiv ge koppelt, deren eines Ende mit der Anschluss klemme 30 der Zündkerze 31 verbunden ist.
Die Zündkerze wird in eine Aufnahmeöff nung in der Wand eines druckfesten Behäl ters oder einer Bombe 32 eingesetzt. Die Bombe kann mit einem geeigneten Gas, wie Stickstoff, gefüllt sein, bei einem Druck von 3,5 at, um Arbeitsbedingungen im Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine nachzu ahmen.
Bei der Ausführung dieses Beispiels des Verfahrens gemäss der Erfindung wird das zu behandelnde Funkenstreckenelement 27 in den Impulsstromkreis nach Fig. 2 eingeschal tet. Um das gewünschte Ziel zu erreichen, ist es wichtig, dass die gasförmigen Produkte der Vorfunkenbehandlung fortlaufend aus dem Innern des Funkenstr eckenelementes abge führt werden.
Im einfachsten Fall kann dies erreicht werden, indem das Innere des Fun- kenstreckenelementes durch die Öffnungen 16 und 17 sowie durch das Glasrohr 19 (Fig. 1) mit der Atmosphäre in Verbindung gehalten wird. Es ist jedoch auch möglich, einen Strom gereinigten und filtrierten Gases, wie Luft, durch das Funkenstreckenelement zu schik- ken, welcher Strom durch das Rohr 19 ein geführt und durch die obere Öffnung 17 ab gesaugt oder ausgestossen wird, bevor diese mit der Kappe 18 zugeschmolzen wird.
Während des Betriebes des Zündmagne- ten entsteht, wie beschrieben, über den Kon densator 26 periodisch eine Hochspannung. Wenn diese Spannung die Überschlags spannung des Funkenstreckenelementes 27 er reicht hat, dann wird über das Funkenstrek- kenelement und die Primärwicklung 28 des Aufwärtstransformators eine Entladungs schwingung auftreten. In der Sekundärwick lung 29 entsteht eine gleichartige Hochfre quenzschwingung, aber mit bedeutend höhe rer Spannung, die zwischen der Mittelelek trode 30 und den Elektroden 33 der Zünd kerze 31 Hochfrequenzfunken erzeugt.
Diese Vorfunkenbehandlung wird vor zugsweise während eines Zeitraumes von bei spielsweise zwanzig bis vierzig Stunden fort gesetzt. Im allgemeinen wurde eine Vorfun kenbehandlung von ungefähr zwanzig Stun den bei zweiundzwanzig Funken pro Se kunde als zufriedenstellende Resultate er gebend gefunden.
Nach der Beendigung der Vorfunken behandlung kann das Funkenstreckenelement evakuiert und mit einem geeigneten Gas ge füllt werden, wie zum Beispiel mit dem frü her erwähnten Gasgemisch, worauf es zuge schmolzen wird. Das Zuschmelzen des Fun kenstreckenelementes kann auch sofort nach der Vorfunkenbehandlung und ohne vor herige Evakuierung erfolgen. In diesem Fall bleibt der Innenraum des Funkenstrecken elementes mit einem Gas gefüllt, das im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung wie die atmosphärische Luft besitzt, das heisst, sie wird ungefähr 21 % Sauerstoff und 7 9 %Stickstoffenthalten, sowie Spuren ge wisser Edelgase, welche in geringen Mengen in atmosphärischer Luft enthalten sind, wie Helium, Neon, Argon, Krypton und Xenon.
Diese Ladung wird unter normalem Atmo- sphärendruck stehen, entsprechend dem Druck, der beim Zuschmelzen des Funken streckenelementes herrschte.
Das fertige Funkenstreckenelement ist in Fig. 3 dargestellt, und es ist in jeder Bezie hung gleich wie das in Fig. 1 gezeigte, mit der Ausnahme, dass das Glasrohr 19 nahe beim untern Ende der Platte abgeschmolzen worden ist, wodurch eine Glashaube 34 ent steht, ähnlich der Glashaube 18, welche die obere Endplatte abdichtet.
Versuche haben gezeigt, dass ein Funken streckenelement, welches gemäss den Prin zipien der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, wichtige Vorzüge besitzt. Solche Fun kenstreckenelemente besitzen äusserst stabile Charakteristiken, z. B. variiert die zur Er zeugung des Überschlages an den Elektroden erforderliche Spannung nur um 5 % oder we niger. Ferner behalten solche Funkenstrek- kenelemente ihre erforderlichen physikali schen Charakteristiken während einer sehr langen Zeit bei, und sie haben daher eine sehr grosse Lebensdauer.
Die physikalischen Vorgänge, welche sich bei der Vorfunkenbehandlung abspielen, können nicht vollständig erkannt werden. Es wird angenommen, dass während der Vorfun- kenbehandlung kleinste, aber wichtige Ver änderungen an den Elektrodenoberflächen vor sich gehen, während die gasförmigen und festen Nebenprodukte, die bei der Behand lung entstehen, abgeführt werden, z. B. in dem man ihnen den Austritt in die Atmo sphäre ermöglicht.
Daher werden. anfängliche Veränderungen in den physikalischen Eigen schaften der Elektroden und des F'unken- streckenelementes schon während des Zeit raumes der Vorfunkenbeha.ndlung auftreten, die fortgesetzt wird, bis die Charakteristiken permanent stabilisiert sind.
Process for the production of spark-gap elements. Spark gap elements are presently used for various purposes, the most important of which is their use in high frequency ignition systems. Generally, such spark gap elements have two electrodes at a distance from each other, which are switched into an electrical circuit when such an element is used, in which case a high voltage can develop so that a discharge takes place between the electrodes. This spark discharge can be used to generate high-frequency oscillations in a working group or for other purposes. Spark gap elements of the type mentioned are described in Swiss Patent No. 250500, for example.
The object of the present invention is to improve the characteristics of spark gap elements of the type described, in particular with regard to the extreme stability of these characteristics and a particularly stable flashover voltage.
In the accompanying drawing, an embodiment of the subject invention is shown.
1 is a longitudinal section of a spark gap element according to the invention in a state that is present during manufacture.
Fig.2 is a circuit diagram of a typical pulsed circuit as used in practice, and Fig. 3 is a section through a finished spark gap element.
In Fig. 1, reference numerals 10 denote spark gap electrodes having a circular cross-section made of a heat-resistant material such as tungsten. Each of these electrodes 10 is soldered to a schalenför shaped electrode holding plate 11 or otherwise attached to these plates 11. On the flange 13 of the retaining plate 11, an end plate 12 is welded, which is seen with an annular channel 14 with a U-shaped cross section.
The electrode 10, the holding plate 11 and the end plate 12 form an electrode unit which is assembled with the same unit in such a way that the electrodes 10 of the assembly are held in the working position in a parallel, distanced position. This is achieved by a spacer tube 15 made of glass or other insulating material, the ends of which are inserted into the annular channels 14 of the end plates. Preferably, the end plates 12 are made of an iron chromium alloy, which can be melted directly onto glass, which gives a stable, hermetically sealed construction.
The inner space surrounding the electrodes, which is delimited by the end plates 12 and the spacer tube 15, initially protrudes through openings 16 which are present in the electrode holding plates 11 and through openings 17 in the central part of the end plates 12, in communication with the atmosphere. One opening 17 can be closed by a glass hood 18, while a glass tube 19 is fused to the corresponding opening 17 of the other end plate, which creates a channel or a passage through which the inner space of the spark gap element with the outer atmosphere in Can be connected.
Since the description of the spark gap elements of the type described and the production of the same ben in the aforementioned Swiss patent font No. 250500 are completely included. so a detailed description of the construction thereof is unnecessary.
It has been found that the working characteristics of a spark gap element of the type described can be significantly improved if it is subjected to special treatment after the final composition and before sealing. This treatment consists of installing the spark gap element in a typical pulse circuit that periodically allows high voltage to reach the electrodes of the spark gap element. The pulse generating circuit can consist of a suitable voltage source, such as a conventional magneto.
The alternating voltage generated can be such that it results in a peak voltage of 2000 volts at approximately 1000 periods if it is applied to a capacitor of 0.015 microfarads without a spark gap. The working group can consist of a conductor with a spark plug, which works in a stick material or another suitable bomb containing inert gas at a pressure of 3.5 at at the tip of the spark plug. The periodic impulses can be made to act for a period of 20 hours or more.
It has been found that if the spark gap element is filled with a suitable gas and sealed after this treatment, a spark gap element with better characteristics and greatly increased stability results. A preferred gas is a mixture of oxygen and nitrogen and especially a mixture with approximately 21/2% oxygen and 971/2% nitrogen.
An embodiment of the method according to the invention is described below with reference to Fig. 2, in wel cher figure a typical pulse circuit is shown schematically. The circuit contains an ignition magnet 20 with a primary winding 21 and a secondary winding 22 which are inductively coupled to one another. One end of the two windings is grounded, and parallel to the primary winding 21, a capacitor 23 is placed. The magneto also has a pair of breaker contacts 24 which are actuated by the rotary cam 25.
Another capacitor 26 with suitable capacitance is placed parallel to the secondary winding 22 of the magneto. The spark gap element 27 to be treated contains the electrodes 10 and is connected to the usual connection on the secondary winding 22, the capacitor 26 and a primary winding 28 of a step-up transformer. The other end of the winding 28 mentioned is grounded. The primary winding 2.8 is with the secondary winding 29 of the! Step-up transformer inductively coupled, one end of which is connected to the connection terminal 30 of the spark plug 31.
The spark plug is inserted into a receptacle opening in the wall of a pressure-tight Behäl age or a bomb 32. The bomb can be filled with a suitable gas, such as nitrogen, at a pressure of 3.5 atm in order to simulate working conditions in the cylinder of an internal combustion engine.
When carrying out this example of the method according to the invention, the spark gap element 27 to be treated is switched into the pulse circuit according to FIG. In order to achieve the desired goal, it is important that the gaseous products of the pre-spark treatment are continuously removed from the interior of the spark gap element.
In the simplest case, this can be achieved by keeping the interior of the spark gap element in communication with the atmosphere through the openings 16 and 17 and through the glass tube 19 (FIG. 1). However, it is also possible to send a stream of purified and filtered gas, such as air, through the spark gap element, which stream is introduced through the tube 19 and sucked out or expelled through the upper opening 17 before it is connected to the cap 18 is melted shut.
During the operation of the ignition magnet, as described, a high voltage is generated periodically across the capacitor 26. When this voltage has reached the breakdown voltage of the spark gap element 27, then a discharge oscillation will occur via the spark gap element and the primary winding 28 of the step-up transformer. In the secondary winding 29, a similar high frequency oscillation arises, but with a significantly higher voltage that generates high-frequency sparks between the central electrode 30 and the electrodes 33 of the spark plug 31.
This pre-spark treatment is continued for a period of twenty to forty hours, for example. In general, a pre-spark treatment of about twenty hours at twenty-two sparks per second has been found to give satisfactory results.
After completion of the pre-spark treatment, the spark gap element can be evacuated and filled with a suitable gas, such as the gas mixture mentioned earlier, whereupon it is melted shut. The melting of the spark gap element can also take place immediately after the pre-spark treatment and without prior evacuation. In this case, the interior of the spark gap element remains filled with a gas that has essentially the same composition as the atmospheric air, that is, it will contain about 21% oxygen and 7 9% nitrogen, as well as traces of certain noble gases, which in small Amounts contained in atmospheric air are such as helium, neon, argon, krypton and xenon.
This charge will be under normal atmospheric pressure, corresponding to the pressure that prevailed when the spark gap element melted.
The finished spark gap element is shown in Fig. 3, and it is the same in every respect as that shown in Fig. 1, with the exception that the glass tube 19 has been melted close to the lower end of the plate, whereby a glass hood 34 is ent , similar to the glass dome 18 which seals the top end plate.
Tests have shown that a spark gap element which was produced according to the principles of the present invention has important advantages. Such Fun kenstreckenelemente have extremely stable characteristics, such. B. the voltage required to generate the flashover at the electrodes varies only by 5% or less. Furthermore, such spark gap elements retain their required physical characteristics for a very long time, and they therefore have a very long service life.
The physical processes that take place during pre-spark treatment cannot be fully recognized. It is assumed that the smallest but important changes to the electrode surfaces take place during the pre-spark treatment, while the gaseous and solid by-products that arise during the treatment are removed, e.g. B. by allowing them to exit into the atmosphere.
Hence be. Initial changes in the physical properties of the electrodes and the spark gap element occur during the period of the preliminary spark treatment, which is continued until the characteristics are permanently stabilized.