Verfahren zur Schaffung einer elektrischen Glimmentladung hoher Stromstärke in einem Entladungsgefäss Die Anwendung der Glimmentladung für tech nische Prozesse, insbesondere metallurgischer Art, ist bekannt. Es ist ebenfalls bekannt, hierbei metallische Entladungsgefässe zu verwenden und die erforder liche elektrische Energie durch isolierte Stromeinfüh- rungen zuzuführen, wobei die zu behandelnden Werk stücke als Elektroden angeordnet sein können.
Die Durchführung von Prozessen mittels Glimm- entladungen erfordert - teils zur Erzielung einer möglichst kurzen Behandlungszeit, teils zur Erzeugung der notwendigen Temperatur an den am Prozess be teiligten Flächen - einen Energieumsatz an vor bestimmten Flächen bis zu Werten von 50 Watt/cm2. Derartige Entladungsintensitäten konnten aber bis her entweder überhaupt nicht oder höchstens nur ganz kurzzeitig hergestellt werden, da einigermassen stabile Entladungszustände nur mit hohen Impedan zen in den Speisestromkreisen erzielbar waren, was einen hohen technischen Aufwand und schlechten Wirkungsgrad mit sich brachte.
Dementsprechend haben sich auch solche Glimmprozesse in industriel lem Massstab bisher nicht eingeführt und sind mehr oder weniger nur laboratoriumsmässig untersucht wor den. Ferner war bisher der grösstmögliche Energie umsatz in derartigen Entladungsgefässen durch die maximal zulässige Entladungsbeaufschlagung der Stromeinführungen beschränkt, und zwar auf relativ niedrige Werte im Vergleich zu den für die Durch führung technischer Prozesse erwünschten Leistungen.
Dazu kommt noch, dass bisher in den Speise stromkreisen derartiger Entladungsgefässe beträcht liche Widerstände zur Stabilisierung der Entladung erforderlich sind, die besonders bei Gleichstrom betrieb entsprechende Energieverluste bedingen, also die Wirtschaftlichkeit noch weiter verringern. Die vorliegende Erfindung bezweckt die über- windung dieser Mängel und betrifft ein Verfahren zur Schaffung einer elektrischen Glimmentladung hoher Stromstärke und grosser Entladungsintensität zur Durchführung metallurgischer, chemischer und anderer technischer Prozesse.
Hierbei ist kennzeich nend, dass bei Inbetriebnahme in einem Entladungs gefäss die Spannung an den Elektroden und der Gas druck so gewählt werden, dass eine Glimmentladung von im Vergleich zum betriebsmässigen Endzustand geringer Intensität erzeugt wird, und dass zur Erzie lung des betriebsmässigen Endzustandes ein Anlauf vorgang durchgeführt wird, bei dem Spannung und Gasdruck gesteigert werden, bis die für den betriebs mässigen Endzustand vorgesehene Entladungsinten sität erreicht ist.
Die Erfindung ist nachstehend in einigen Ausfüh rungsbeispielen anhand der Fig. 1 bis 10 näher be schrieben. Hierbei ist: Fig. 1 eine typische Strom/Spannungs-Kennlinie üblicher Glimmentladungen, im Vergleich mit einer nach dem hier gebrauchten Verfahren erzielbaren Kennlinie, Fig.2 und 3 je eine schematische Darstellung eines Entladungsgefässes zur Erläuterung des Ver fahrens, Fig. 4 ein Diagramm über den Anlaufvorgang, Fig. 5 und 6 je eine Photographie des Inneren des Rezipienten nach Fig. 9 zu Beginn und am Ende des Anlaufvorganges, Fig.
7 eine Strom/Spannungs-Kennlinie für eine Glimmlichtentladung im Entladungsendzustand, Fig. 8 eine schematische Darstellung eines weite ren Entladungsgefässes, Fig. 9 ein Anlagenschema und ein Entladungs gefäss zur Behandlung von Stahlrohren, Fig. 10 einen Längsschnitt durch eine Stromein führung für das Entladungsgefäss nach Fig. 9.
Dem hier betriebenen Verfahren liegt die durch jahrelange Untersuchungen erhärtete Erkenntnis zu grunde, dass der zur Durchführung von metallurgi schen und chemischen Prozessen mittels Glimmentla dungen im technischen Massstab erforderliche hohe Energieumsatz, im Entladungsgefäss bei Dauerbetrieb nur dann erzielbar ist, wenn ein ganz aussergewöhn licher Entladungszustand erreicht und aufrechterhalten werden kann. Dies ist verständlich angesichts der Tatsache, dass ein Energieumsatz an den am Prozess beteiligten Flächen in der Grössenordnung von 30 bis 50 Watt pro cm2 und 20 000 Watt pro behandel tes Werkstück im tagelangen Dauerbetrieb erforder lich ist.
Unter den mittels Glimmentladungen durch zuführenden technischen Prozessen wird dabei vor allem das Eindiffundieren von Stoffen in Metall oberflächen verstanden, also beispielsweise das Nitrie ren (Einlagerung von Stickstoff), Borieren, Silizieren, Wolframieren usw., sowie Prozesse chemischer Art, wie Reduktionen, Hydrierungen, Polymetrisierungen usw. und Schmelzprozesse.
Ein derartiges Behandlungsverfahren ist verständ licherweise nur dann betriebssicher durchführbar, wenn es gelingt, einerseits einen stabilen Betrieb bei hoher Energiedichte, bei höchsten Temperaturen und auch bei lokalen Störungen an den Prozessflächen aufrechtzuerhalten, und anderseits energiereiche Glimmentladung auf die zu behandelnden oder sonst am technischen Prozess beteiligten Flächen und die denselben unmittelbar benachbarte Gasschicht zu konzentrieren, sei es, dass diese Flächen metallische Werkstücke oder nur Träger zu behandelnder Sub stanzen sind.
Bekanntlich zeigt die Strom/Spannungs-Kennlinie 65 einer beispielsweise mit Gleichspannung betrie benen elektrischen Gasentladung bisher bekannter Art gemäss Fig. 1 einen sogenannten normalen Be reich X und einen nach höheren Spannungswerten sich hieran anschliessenden anormalen Bereich Y, wobei sich an den anormalen Bereich Y bei einer weiteren Spannungs- bzw. Stromsteigerung ein fallender Kennlinienteil anschliesst, der zum Punkte 67 führt, bei dem die Glimmentladung in eine Bogenentladung übergeht.
Das Strom/Spannungsdiagramm der Fig. 1 und die Kennlinie 65 zeigen diesen typischen Verlauf von Glimmentladungen bei Gleichspannung gemäss dem bisherigen Stand der Technik und Wissenschaft (siehe z. B. Dosse, Mierdel, Der elektrische Strom im Hoch vakuum und in Gasen , Hirzel 1945, Seite 317, so wie Loeb Fundamental Prozess of electrical Dis- charges in Gases , Verlag Wiley, 1947, Seiten 606 bis 608).
Der normale Bereich X der Entladung endet bei jenem Strom, bei dem die spannungsführenden Elek trodenteile vollständig vom Glimmlicht bedeckt sind. Bei einer weiteren Spannungssteigerung nimmt die Spannung und die Entladungsstromstärke zu, wobei die grösser werdende Spannung, die sich bekanntlich weitgehend auf den sogenannten Kathodenfall un mittelbar vor der negativen Elektrode konzentriert bewirkt, dass die positiven Gasionen mit gesteigerter kinetischer Energie auf die Elektrodenfläche auf treffen. Bei Gleichspannungsbetrieb tritt dies an der Kathode dauernd auf, während bei Wechselspan nungsbetrieb jede Elektrode während je einer Halb periode zur Kathode wird.
Im Kathodenfallraum stellt sich bei ungestörter Glimmentladung ein Gleich gewichtszustand zwischen dem Ionenstrom zur Elek trodenfläche und den dort ausgelösten Elektronen ein. Die bei einer Spannungssteigerung zunehmende Ener gie der aufprallenden Ionen bewirkt eine Erhitzung der betreffenden Elektrode, was zu einer thermischen Elektronenemission des Elektrodenmetalls führt. Dieser thermische Emissionsstrom aus negativen Elek tronen und andere bisher erst wenig geklärte Emis sionsvorgänge an der Elektrode, in Wechselwirkung mit der benachbarten Gasschicht, können zu einer Kontraktion der Entladung auf einen Brennfleck und zur Zündung eines Lichtbogens zwischen der Elektrode und der nächstgelegenen Gegenelektrode führen.
Dieser Übergang in die Bogenentladung ent spricht dem Punkt 67 der Kennlinie 65, der anschei nend dort gelegen ist, wo der Glimmentladungs- Kathodenfall durch die Elektronenemission des Elek trodenmetalls - wenigstens stellenweise - zum Ver schwinden gebracht ist. Die Gesamtentladungsspan nung der Bogenentladung ist stets weniger als die Hälfte der Glimmentladungsspannung bei Betrieb im normalen Bereich X der Kennlinie.
Für technische Prozesse mittels Glimmentladun- gen muss der Übergang in eine Bogenentladung unter allen Umständen vermieden werden, da eine solche lokale Überhitzung an einzelnen Punkten der Elek- trodenflächen ergibt und keine gleichmässigen, repro- duzierbaren Prozesse der hier behandelten Art er möglicht.
Dem Bestreben zur Steigerung der Energie dichte der Glimmentladungen war also bisher eine Grenze gesetzt durch die hierbei auftretende Erwär mung der Elektroden und deren thermische Elektro nenemission, die unweigerlich zu einem Übergang in eine Bogenentladung mit mehr oder weniger ausge prägter Kontraktion der Entladung auf begrenzte Elektrod'enbereiche, bei gleichzeitigem Absinken der Entladungsspannung auf Werte meist weit unter 100 Volt, führen musste. Es ist daher in der Vergangen heit nicht möglich gewesen, bei einer Steigerung des Energieumsatzes der Glimmentladung, den unstabilen Übergangsbereich der Entladungskennlinie von der Glimm- zur Bogenentladung zu vermeiden.
Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten ist die Durchführung eines Anlaufvorganges notwendig, nach dessen Vollendung der stationäre Entlad'ungs- endzustand erreicht ist, der mit vorbestimmtem Energieumsatz und vorbestimmter spezifischer Lei stung an den am Prozess beteiligten Flächen verläuft und im Dauerbetrieb aufrechterhalten werden kann, wobei der Energieumsatz und die spezifische Leistung an allen anderen Teilen vorgegebene Höchstwerte nicht überschreiten.
Das Verfahren ist dabei keines wegs auf bestimmte Elektrodenanordnungen und Formen der am Prozess beteiligten Flächen beschränkt und kann praktisch auf alle vorkommenden Fälle angewendet werden, wenngleich natürlich die Anord nung jeweils sinngemäss erfolgen muss. Jedenfalls stel len aber die zur Erläuterung des Verfahrens nach stehend verwendeten Fig. 2, 3 und 4 nur schematisch wiedergegebene Beispiele für geeignete Anordnungen und Entladungsgefässe dar.
Das Entladungsgefäss nach Fig. 2 zur Durchfüh rung eines derartigen Prozesses ist beispielsweise für den Betrieb an einer Spannung konstanter Polarität, aber nicht notwendigerweise konstanter Amplitude eingerichtet, und besteht aus dem abnehmbaren Ober teil 1 und dem Bodenteil 2, vorzugsweise beide aus elektrisch leitendem Material, etwa Metall. Die Teile <B>1</B> und 2 sind gasdicht miteinander verbunden und im Innenraum kann über die Gasabsaugleitung 3 und die Gaszuführungsleitung 4 eine Gasatmosphäre beliebigen 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 6 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 behan delnden Gegenstände, hier beispielsweise das metalli sche Werkstück B. Diesem gegenüber ist eine Elek trode 9 angeordnet, die an der Durchführung 5 be festigt ist und die Anode darstellt, aber am durch zuführenden technischen Prozess selbst nicht beteiligt sein soll.
Die Aufgabe besteht nun darin, die energie reiche Glimmentladung, in Fig. 2 gestrichelt mit 10 angedeutet, möglichst weitgehend auf die am Prozess beteiligten Aussenflächen des Werkstückes 8 zu be schränken und dort einen vorbestimmten Wert des Energieumsatzes bei vorgegebener spezifischer Lei stung zu erreichen, ohne dass die anderen spannungs führenden Teile, also die Innenseite der Stromein führungen 5 und 6, die Halterungen 7 und die Elek trode 9 eine den zulässigen Höchstwert überschrei tende Glimmentladungsbeaufschlagung aufweisen. Auch die Innenwandungen der Gefässteile 1 und 2 sollen weitgehend frei von solchen störenden und Energieverlusten ergebenden Glimmentladungen sein.
Die gleiche Aufgabenstellung liegt auch beim Wechselstrombetrieb eines derartigen Entladungs gefässes 1, 2 vor, jedoch besteht, wie in Fig. 3 ange deutet, hierbei kein Unterschied mehr zwischen der Anode und der Kathode, weshalb nunmehr gleichzeitig zwei Werkstücke 8a und 8b dem gewünschten Pro zess unterzogen werden können, die an der einen bzw. anderen Halterung 7 bzw. 9 befestigt und mit den Stromeinführungen 6 bzw. 5 verbunden sind. Die energiereiche Glimmentladung 10a und 10b soll hier möglichst weitgehend auf die beiden am Prozess be- teiligten Aussenflächen der Werkstücke 8a, 8b be schränkt werden.
Diese Aufgabenstellung - für die bisher be kannte Glimmentladungstechnik bei den für tech nische Verwendungszwecke notwendigen Leistungen völlig undurchführbar - ist nur dann lösbar, wenn der gewünschte Gasentladungs-Endzustand über einen Anlaufvorgang geschaffen wird. Jdoch ist bei den in der Praxis auftretenden, sehr unterschiedlichen tech nischen Prozessen, den verschiedenen Werkstück formen, den eventuellen Rückwirkungen seitens der am Prozess beteiligten Flächen usw. verständlicher weise eine sorgfältige Vorausplanung des erwünschten Prozesses erforderlich.
Bei dem hier zu verwendenden Anlaufvorgang wird zu Beginn ein Gasdruck und eine Elektroden spannurig eingestellt, die der jeweiligen nach dem oben genannten Regeln gestalteten Elektrodenanordnung und deren Anfangstemperatur angepasst sind und eine Glimmentladung bewirken, die wie üblich eine beliebige Ausdehnung aufweist.
Die Elektrodenspan nung und der Gasdruck werden so gewählt, dass in der Anfangsphase des Anlaufvorganges sämtliche spannungsführenden Teile mit einer Glimmhaut be deckt sind. An den für nachteilige Auswirkungen sol cher noch wenig energiereichen Glimmentladungen besonders empfindlichen isolierenden Stromeinführun- gen 5 und 6 sind noch näher zu beschreibende Mittel zu deren Unschädlichmachung vorgesehen.
Diese An fangsphase des Anlaufvorganges wird zeitlich so lange ausgedehnt, bis an den spannungsführenden Teilen alle zu Unregelmässigkeiten der Entladung Anlass ge- benden Mängel der Oberflächenschicht, etwa Ober- flächenverunreinigungen durch Berührung derselben beim Einbau, oder Gasausbrüche und dergleichen, durch die Wirkung der Glimmschicht beseitigt sind.
Durch den Temperaturanstieg während dieser An fangsphase können Änderungen der Elektrodenspan nung und des Gasdruckes notwendig werden, um die vollständige Glimmlichtbedeckung aller spannungs führenden Teile aufrechterhalten zu können.
Nach Beseitigung aller derartigen Unvollkommen- heiten der Oberflächenschicht bedeckt das Glimmlicht die .spaanungführenden Flächenteile als eine gleich mässige Leuchtschicht. Nunmehr wird unter ständiger Erhöhung des Gasdruckes und meist auch der Elek- trodenspannung die spezifische Leistung der Entladung an den am Prozess beteiligten Flächenerhöht und damit der Energieumsatz stufenweise vergrössert.
Da bei lässt sich erreichen, dass die spezifische Leistung der Glimmentladung an den nicht am eigentlichen Prozess beteiligten Flächen nicht im gleichen Aus mass 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 Temperatur nähern.
Dieser Entladungsendzustand wird nach einer für jeden Prozess und die Art und Grösse der beteilig- ten Flächen bzw. Gasschichten charakteristischen An laufzeit erreicht, wobei dann die energiereiche Glimm-
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Flächen konzentriert ist, und dort einen vorgegebenen Wert der spezifischen Leistung und des Energieum satzes aufweist, während an allen anderen spannung führenden Teilen und insbesondere den Stromeinfüh rungen die Entladungsbeaufschlagung einen gegebe nen Höchstwert nicht überschreitet.
Die Glimmentla- dung während des Anlaufvorganges kann, falls er wünscht, durch Einschaltung einer Serieimpedanz, bei spielsweise einer induktiven Impedanz, in den Speise stromkreis der Elektroden stabilisiert 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 ein stellbaren Mindestspannung eine kurzzeitige Ab senkung der Spannung bewirkt.
Beide Massnahmen dienen dazu, um eine unzulässige grosse lokale Er hitzung einzelner Flächenteile beim plötzlichen Auf treten starker Unregelmässigkeiten der Oberflächen schicht, etwa bei Gasausbrüchen, zu vermeiden.
Der Anlaufvorgang muss stets mit kleinerem Ener gieumsatz und niedriger spezifischer Leistung begin nen als für den angestrebten Endzustand vorgesehen, und zwar sollte die Leistungsaufnahme des Ent ladungsgefässes, gemessen an den Stromeinführungen, nicht mehr als etwa 50"/o derjenigen des Endzustandes betragen, oder noch niedriger liegen. Der Gasdruck p und die Leistung N sind, für einen typischen Prozess, abhängig von der Zeit t im Diagramm nach Fig. 4 wiedergegeben.
Ein Beispiel für die Erscheinungen beim Anlauf vorgang in einem zylindrischen Metallrezipienten 15 gemäss Fig. 9 von etwa 350 mm lichter Weite zeigen die Fig. 5 und 6, und zwar für die Oberflächen behandlung eines im Rezipienten isoliert aufgehängten Stahlrohres 27 von etwa 20 mm lichter Weite, 70 mm Aussendurchmesser und 24.00 mm Länge. Im Inneren des Rohres 27 ist ein Metalldraht 28 gespannt auf gehängt. Am oberen Ende ist senkrecht oberhalb des Rohres 27 ein schräg gestellter Spiegel angeordnet, über den durch ein Beobachtungsfenster am oberen Ende des Rezipienten 15 das Rohr 27 und die Innen wand des Rezipienten 15 während des Betriebes be obachtet werden können.
Die Aufgabe besteht hier darin, die energiereiche Entladung weitgehend auf die Innen- und Aussenseite des Rohres 27 zu kon zentrieren.
Zu Beginn des Anlaufvorganges bietet das Innere des Rezipienten 15 das in Fig. 5 wiedergegebene Bild, wenn die optische Achse der Aufnahmekamera mit der Achse des .Rezipienten 15 und des Rohres 27 zusammenfällt, wenn man also beispielsweise von oben oder unten in den Rezipienten 15 hereinphoto graphiert. Es ist ersichtlich, dass einzelne Stellen der Aussenseite des in der Mitte der Fig. 5 erscheinenden Rohres unregelmässige Glimmentladungserscheinun- gen zeigen, einige davon mit starker Emission, was Entladungsbahnen zwischen diesem Rohr und der
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bahnen vom Rohr in Richtung der Mitte der linken Seite der Fig. 5 sowie in Richtung der linken oberen Ecke der Fig.5 ergibt.
Stark emittierende Stellen würden ohne die genannten Massnahmen im Speise stromkreis ziemlich sicher zu Bogenentladungen zwi schen dem Rohr und der Rezipientenwandung führen. Die stark emittierenden Stellen der Wandung des Rohres rühren von Verunreinigungen, Oxydschichten oder anderen Mängel der Oberfläche her und wan dern in unregelmässiger Weise über dessen ganze Aussenseite.
Am Ende des Anlaufzustandes zeigt sieh dagegen das in Fig. 6 wiedergegebene Bild. Die Glimmentla- dung ist nunmehr weitgehend auf das Rohr konzen triert und an der Innenwandung des Rezipienten sind nur noch Glimmspuren (Anodenlichter) sichtbar. Die Glimmentladung hat ihren Endzustand mit vorgege bener Energiedichte erreicht, wobei im vorliegenden Fall das Stahlrohr eine Temperatur von 510 C auf weist und mit einer Energiedichte von etwa 1,5 Wattfcm2 an der gesamten Oberfläche betrieben wird. Die während des Anlaufvorganges im Speise stromkreis liegende Serienimpedanz ist ausgeschaltet.
Die Summe aller Impedanzen im Speisestromkreis soll nach Erreichen des Entladungsendzustandes nicht mehr als höchstens 309/o, vorzugsweise weniger als 101h, der Impedanz sämtlicher Entladungsstrecken betragen.
Der Zweck dieses Anlaufvorganges ist also, alle spannungsbeanspruchten Flächen innerhalb eines Ent ladungsgefässes vor der eigentlichen Oberflächen behandlung der in der Glimmentladung zu behandvIn- den Werkstücke von Verunreinigungen, Inhomogeni- täten, Oxydationen und anderen Mängeln der Ober flächen, die z.
B. zu Gasausbrüchen, örtlicher Ver dampfungen, hoher örtlicher Elektronenemission oder zu anderen Unregelmässigkeiten der Entladung Anlass geben könnten, so weit zu befreien, dass nach Ab schluss dieses Anlaufvorganges keine Stellen an den spannungsbeanspruchten Flächen mehr vorhanden sind, bei den sich während der eigentlichen Ober flächenbehandlung eine Bogenentladung ausbilden könnte. Um mit Sicherheit die Entstehung einer Bogen entladung zu verhindern, müssen nun verständlicher weise bei allen spannungsbeanspruchten Flächen die besagten Mängel der Oberfläche beseitigt werden.
Das bedeutet aber, dass alle spannungsbeanspruchten Flächen innerhalb des Anlaufvorganges einer Glimm entladungsbehandlung unterzogen werden müssen.
Zu den spannungsbeanspruchten Flächen gehören aber auch die Stromdurchführungen, beispielsweise bei dem in Fig. 9 dargestellten Rezipienten 15 die Stromdurchführungen 18 und 19.
Die Erzeugung einer Glimmentladung an den spannungsbeanspruchten Flächen der Schutzspalte der Stromdurchführungen ist nun innerhalb des zur Män gelbeseitigung an allen anderen spannungsbeanspruch ten Flächen vorgesehenen Anlaufvorganges im allge meinen deswegen nicht möglich, weil einerseits dieser Anlaufvorgang im allgemeinen in einem Druckbereich stattfindet, dessen obere, nach Beendigung des An laufvorganges erreichte Grenze der Druck ist, bei dem die eigentliche Oberflächenbehandlung des Werk stückes erfolgt, und anderseits die Stromdurchfüh rungen im allgemeinen mit einem derart bemessenen Schutzspaltsystem versehen sind,
dass das Eindringen von Glimmentladungen in diese Schutzspalte bei dem während der eigentlichen Oberflächenbehandlung herrschenden Druck weitgehend verhindert wird. Hierzu ist bekanntlich die Spaltbreite der Schutz spalte derart eng bemessen, dass ein Elektron bei dem herrschenden Betriebsdruck auf seinem Wege durch den Spalt eine geringere Anzahl von Ionen erzeugt als diejenige Anzahl von Ionen, die erforderlich ist, um an der Kathode bzw. an der Kathodenpotential aufweisenden Spaltfläche ein neues Elektron aus zulösen.
Um in einem solchen Schutzspalt eine Glimm- entladung zu erzeugen, muss also die Anzahl der von einem Elektron auf seinem Wege durch den Spalt erzeugten Ionen erhöht werden. Dies erreicht man bekanntlich durch Steigerung des Druckes, weil da durch die sich umgekehrt proportional dem Druck verhaltende mittlere freie Weglänge des Elektrons entsprechend verringert wird und dementsprechend die Anzahl der Stösse und damit die Anzahl der erzeugten Ionen proportional dem Druck ansteigt.
Es ist im übrigen allgemein bekannt, dass man in einem Schutzspaltsystem durch Erhöhung des Druk- kes über den für dieses Schutzspaltsystem vorgesehe nen Betriebsdruck hinaus eine Glimmentladung inner halb der Schutzspalte erzwingen kann.
Nun stellen die die Spalte eines solchen Schutz spaltsystems begrenzenden Wandungen stets Flächen mit hoher Spannungsbeanspruchung dar. Es ist des wegen zweckmässig, auch bei diesen Flächen in einem weiteren Anlaufvorgang alle Mängel der Oberfläche zu beseitigen, die zu einer Bogenentladung führen könnten.
Unbedingt nötig ist dieser weitere Anlauf vorgang zwar nicht, weil erstens die Schutzspalte ja so bemessen ist, dass bei normalem Betriebsdruck, bei dem die eigentliche Oberflächenbehandlung des Werkstückes stattfindet, entweder gar keine oder nur eine stark behinderte Glimmentladung innerhalb der Schutzspalte auftritt, und weil zweitens eine tatsäch lich etwa an den Schutzspalten auftretende Bogen entladung nicht auf das Werkstück übergreifen, son dern lediglich zwischen den Flächen verschiedenen Potentials dieses Schutzspaltsystems bzw.
der Strom durchführung brennen kann, jedoch empfiehlt sich die Durchführung dieses weiteren Anlaufvorganges schon aus dem Grunde, weil man auch die bei Auf treten einer Bogenentladung eintretende Zerstörung der Stromdurchführung sowie Betriebsstörungen in Form von Unterbrechung der eigentlichen Ober- flächenbehandlung des zu behandelnden Werkstückes mit möglichst grosser Sicherheit vermeiden will.
Dieser weitere Anlaufvorgang zur Mängelbeseiti gung an allen die Schutzspalte begrenzenden Flächen wird in einem gegenüber dem genannten Betriebs druck wesentlich höheren Druckbereich durchgeführt und erfolgt ansonsten in gleicher Weisse wie der schon zuvor für alle anderen spannungsbeanspruchten Flä chen erläutert;
er kann im übrigen zeitlich auch vor dem erstgenannten Anlaufvorgang stattfinden. Der erforderliche Mindestdruck für diesen weiteren An laufvorgang ist weitgehend durch die geometrische Gestalt und die Dimensionen des Spaltsystems be stimmt.
Durch Herstellung eines genügend hohen Druckes im Entladungsgefäss gelingt es, eine Glimm- entladung nur zwischen den Schutzspalten zu zünden und damit eine weitgehende Konzentration der Glimm- entladung auf die Stromdurchführungen und deren Spaltsystem zu erreichen.
Die Betriebsspannung wird dabei auf einen Wert eingestellt, der zur Erzielung eines Temperaturanstie ges an den spannungsbeanspruchten, den Spalt be grenzenden Flächen ausreicht.
Eine beispielsweise Ausführung einer solchen isolierten Durchführung zeigt die Fig. 10 im Schnitt längs der Achse, eingebaut in den doppelwandigen Abschlussdeckel 16. Der Mittelleiter 52 mit dem in den Gefässinnenraum ragenden Befestigungsbolzen 52a für die Werkstückhalterung 26 (Fig. 9) ist für Wasserkühlung eingerichtet, wobei das Kühlwasser durch die Leitung 23 einströmt und durch die Lei tung 24 ausfliesst.
Der Mittelleiter 52 ist mittels der Isolierstücke 53 und 54 vom Abschlussdeckel 16 iso liert, welche Isolierstücke durch die Überwurfmutter 55 gegen entsprechende Stützflächen im Abschluss deckel 16 gepresst werden und einerseits einen gas dichten Abschluss, anderseits eine leichte Demontier- barkeit der gesamten Durchführung gewährleisten.
Der Mittelleiter 52 trägt an dem nach dem Gefäss- innenraum gerichteten Ende eine metallische Muffe 56, die mittels einer an der Innenwandung des Ab schlussdeckels 16 befestigten metallischen Kappe 5 7 teilweise abgeschirmt ist.
Das in Fig. 10 ersichtliche Spaltsystem verhindert eine energiereiche Glimment- ladung und erhöht dadurch den im Dauerbetrieb zu lässigen Höchstwert der Entladungsbeaufschlagung der Stromeinführung. Das Spaltsystem besteht aus dem Ringspalt 58 zwischen der (geerdeten) Kappe 57 und der spannungführenden Muffe 56, dem Haupt spalt 59 zwischen der (geerdeten) Wandung 16 und der spannungführenden Muffe 56, dem Querspalt 60 zwischen der spannungführenden Muffe 56 und dem Isolator 54, sowie dem Ringspalt 61 zwischen dem Isolierstück 54 und der (geerdeten) Wandung 16.
Durch die Verhinderung einer energiereichen Glimm- entladung infolge geeigneter Dimensionierung des Spaltsystems und der Wasserkühlung kann eine der artige Stromeinführung bei der für technische Pro zesse kaum zu vermeidenden Entladungsbeaufschla- gungen völlig betriebssicher verwendet werden.
Durch die Wirkung der Glimmentladung mit ihrem Ionenbombardement und die zumindest ober flächliche Erwärmung der spannungsbeanspruchten Flächen werden an denselben beim Anlaufvorgang alle Mängel beseitigt, die wie etwa eine Gasabgabe, Verdampfung, Elektronenemission oder dergleichen zu Unregelmässigkeiten der Entladung Anlass geben. Dieser Abschnitt des Anlaufvorganges wird jedenfalls so lange fortgesetzt, bis dies erreicht ist, was - wie die Erfahrung zeigt - stets gelingt.
Mit Vollendung des Anlaufvorganges ist, bei rich tiger Planung des Prozesses gemäss den obengenannten Regeln, die Elektrodenanordnung, insbesondere be züglich Temperatur und Beschaffenheit der am Prozess beteiligten Flächen, in einem Zustand, der stabilen Dauerbetrieb gewährleistet. Nach Erreichen eines sol chen stabilen Endzustandes sind beispielsweise an zwei verschiedenen Versuchsanordnungen die in Fig. 7 gezeigten Strom/Spannungs-Kennlinien gemessen wor den, die in ihrem prinzipiellen Verlauf dem Kenn linienteil 66 in Fig. 1 entsprechen.
Falls erwünscht, kann das Entladungsgefäss nunmehr sogar für kür zere Zeiträume, beispielsweise einige Minuten lang, ausser Betrieb gesetzt und anschliessend sofort mit der vollen Leistung wieder in Betrieb genommen werden. Dabei ist die Wahl der Stromdichte an den am Pro zess beteiligten Flächen von besonderer Bedeutung für die Stabilität des Entladungsendzustandes. Nur bei richtiger Wahl der Stromdichte für die Glimm- entladung gelingt es, den Übergang derselben in eine Bogenentladung bzw. in den unstabilen Teil der Kennlinie 65 in Fig. 1 zu vermeiden.
Es sei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass der oben beschriebene Anlaufvorgang auch für alle anderen Glimmentladungsprozesse, für welche im Entladungsendzustand andere Verhältnisse vorliegen, ebenso vorgenommen werden kann und in entspre chender Weise die Voraussetzung zur Erzielung eines stabilen Entladungsendzustandes bildet.
Der Anlaufvorgang lässt sich an jeder Glimm- entladungsapparatur durchführen, vorzugsweise sol chen mit leitenden Wänden, entsprechend denjenigen nach Fig. 2 und 3. Anderseits zeigt die Fig. 8 eine Gefässbauart, bei der die beiden kuppelartigen Enden 12, 13 aus elektrisch leitendem Material bestehen, aber voneinander durch ein zylindrisches Zwischen stück 14 aus Isoliermaterial getrennt wird. Die Strom einführungen 5 bzw. 6 sind in den Endstücken 12 bzw. 13 vorgesehen. Die Gefässform kann natürlich weitgehend der Gestalt der zu behandelnden Gegen stände angepasst sein.
Es erscheint naherliegend, durch Verwendung von isolierenden Wandungen, in der Umgebung der Stromeinführungen auftretende Schwie rigkeiten zu umgehen. Jedoch ist dies nicht durchführ bar, da isolierende Innenwandungen beim Betrieb sehr rasch elektrisch leitend werden (Aufstäubung usw.).
Eine beispielsweise Ausführung eines Entladungs gefässes samt Steuermitteln für die Durchführung des Anlaufvorganges für einen Vergütungsprozess der Innenwandung eines Stahlrohres zeigt die Fig. 9 in schematischer Wiedergabe. Das Entladungsgefäss be steht 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 Abschluss deckel 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 ge samte Entladungsgefäss wird vom Zuflussrohr 20 zu erst durch die Durchführung 19, über die Leitung 21 zum doppelwandigen Abschlussdeckel 17, durch die sen hindurch und über die Leitung 22 von unten aus in den Kühlmantel der Kammer 15 eingeleitet, ver lässt 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 Ent ladungsgefässes ist beispielsweise an der oberen Durch führung 18 über den Bügel 26 ein Stahlrohr 27 aufgehängt, dessen Wandungen die am Prozess be teiligten Flächen sind. Da die zu behandelnde Boh rung 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 Boh rung freitragend hindurchragt,
oder am oberen Ende mittels einer weiteren Stromeinführung an der Gefäss wand 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 Strahlungs- pyrometers 32.
Der Innenraum des Entladungsgefässes kann über die Gasabsaugeitung 33 und das Ventil 35 mittels einer geeigneten Pumpeinrichtung 34 in vorgegebenem Ausmass evakuiert werden. Eine Unterdruckmessein- richtung 36 ist zur Anzeige des Gasdruckes vorhanden und steuert über das Gerät 37 das Gaszuflussventil 38 derart, dass der vorgesehene Gasdruck im Innen raum der Kammer 15 aufrechterhalten wird.
Die Zusammensetzung,der Gasatmosphäre im Innenraum des Entladungsgefässes kann 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 Druckreduzier- ventile 42 bzw. 43 und die Absperrventile 44 bzw. 45 gespeist wird. Die dargestellte Anlage mit zwei Gasflaschen 40, 41 ist beispielsweise für die Ver wendung eines inerten Gases, etwa Krypton, und die Zumischung eines anderen Gases, etwa Stickstoff, für die Gasatmosphäre im Entladungsgefäss einge richtet.
Die Elektrodenanschlüsse 29 und 30 sind hier mit dem negativen bzw. positiven Pol einer Gleich- spannungsquelle 46 verbunden, wobei in der Zu leitung zum Anschluss 29 eine veränderbare Serie, impedanz 47 vorgesehen ist, die mit dem Schalter 48 kurzgeschlossen werden kann. Die Gleichspannungs quelle 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 Regeleinrichtung 50 wird einerseits durch ein Kom mandogerät 51 betätigt, anderseits aber auch durch die am Pyrometer 32 abgenommene, der Temperatur proportionalen Messspannung.
Die Gleichspannungs quelle 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 Entladungs gefäss geerdet werden.
Während des Anlaufvorganges kann die Entla dungsspannung von Hand gesteuert werden. Hierbei ist der Schalter 48 offen, also liegt die Impedanz 47 zur Strombegrenzung der Glimmentladung im Elek trodenstromkreis. Die Steuereinrichtung 37 kann da bei zur Erzielung des erwünschten Gasdruckes eben falls von Hand gesteuert werden. Nach Vollendung des Anlaufvorganges wird die Serienimpedanz 47 kurzgeschlossen und die Elektrodenspannung auto matisch auf einem Wert gehalten, der die vorgegebene Temperatur der am Prozess beteiligten Flächen ge währleistet, wozu die Temperaturmesseinrichtung 32 den Regler 50 entsprechend beeinflusst.
Der beschriebene Anlaufvorgang ist sowohl für die Behandlung grosser Flächen einzelner Werkstücke, als auch für die gleichzeitige Behandlung kleiner Flä chen an einer Vielzahl von Werkstücken erforderlich, und es gelingt durch sinngemässe Anordnung der ein zelnen Werkstücke, gegebenenfalls unter Verwendung von Hilfselektroden, die energiereiche Glimmentla- dung auf die am Prozess beteiligten Flächen der ein zelnen Werkstücke zu beschränken. Bei Speisung des Entladungsgefässes mit Spannung konstanter Pola rität werden die Werkstücke sämtlich als Kathode geschaltet.
Bei Speisung mit Wechselspannung kön nen die Werkstücke gruppenweise zusammengeschal tet und an den einzelnen Phasen der Wechselspan nungsquelle angeschaltet werden, also beispielsweise drei solche Gruppen bilden, wenn die Speisung durch eine Dreiphasen-Wechselspannungsquelle erfolgt; vor teilhafterweise können die einzelnen Werkstücke in diesem Falle auch so angeschlossen werden, dass einander benachbarte jeweils an verschiedenen Phasen liegen.
Der Anlaufvorgang ist aber natürlich keineswegs nur bei der Durchführung metallurgischer Prozesse notwendig, sondern auch bei Prozessen zur Erzielung chemischer Reaktionen unentbehrlich.