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Hochspannungs-Entladungsgerät Ziel der Erfindung sind Hochspannungs-Entladungsgeräte,
die sich durch geringe Störanfälligkeit und hohe Lebensdauer auszeichnen. Geräte
dieser Art, die in aller Regel mit künstlicher Kühlung arbeiten, sind beispielsweise
Ozonerzeuger, Geräte für Polymerisierungszwecke (z. B. zum Herstellen von Voltolölen)
und zahlreiche andere. Die Erfindung bezweckt dadurch, daß die Wärmeabfuhr von den
erwärmten Teilen des Entladungsraumes besser und gleichmäßiger verläuft als in bisher
bekannten Konstruktionen, weitgehend mechanische Schäden zu vermeiden, wie sie beispielsweise
durch thermische Ausdehnung oder Elektrostriktion an den wärmebeanspruchten Teilen
sonst leicht entstehen und eine höchst unerwünschte Quelle von Betriebsstörungen
darstellen.
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In Ozonerzeugern oder ähnlichen mit stillen elektrischen Entladungen
arbeitenden Einrichtungen wird im Interesse hoher Ausbeuten meist mit möglichst
hoher Stromdichte im Entladungsraum gearbeitet. Ein Mittel zur Erhöhung der Stromdichte
sind dielektrische Stabilisierungsschichten zwischen den Elektroden mit möglichst
großer Dielektrizitätskonstante. Beispielsweise sind Dielektrikumsschichten aus
rutiI-oder titanhaltiger Keramik hierfür geeignet. Ein anderes Mittel zur Erhöhung
der Entladungs-Stromdichte auch für solche Fälle, in denen man Stabilisierungsschichten
mit kleineren Dielektrizitätskonstanten, beispielsweise aus Glas, benutzt, besteht
in der Verwendung von Wechselstrom höherer Frequenz.
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Sobald die Stromdichte der Entladung einen gewissen Wert überschreitet,
müssen die Wände des Entladungsraumes künstlich gekühlt werden, beispielsweise dadurch,
daß man die eine Elektrode, die normalerweise auf Erdpotential gelegt wird, als
Gerätegehäuse ausbildet und in ein Wasserbad setzt oder als Hohlelektrode ausbildet
und Wasser oder Öl hindurchleitet. Eine Kühlung der nicht geerdeten, hochspannungsführenden
Elektrode auf diese Weise wäre nur mit erheblichen Schwierigkeiten möglich, so daß
man darauf meist verzichtet.
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Im Betrieb neigen solche mit dielektrischen Stabilisierungsschichten
arbeitenden gekühlten Hochspannungs-Entladungsgeräte nun zuweilen zu Störungen durch
mechanische Beschädigungen, denen die Stabilisierungsschichten unter den Betriebsbeanspruchungen
ausgesetzt sind. Das beeinträchtigt die Lebensdauer des Gerätes und macht Reparaturen
erforderlich. Die angestellten Untersuchungen über die Ursache dieser Störanfälligkeit
ergaben, daß die Mängel weitgehend vermieden werden können, wenn dafür gesorgt wird,
daß zwischen Kühlelektrode und Dielektrikum ein möglichst gleichmäßiger Wärmeübergang
stattfindet. Insbesondere kommt es darauf an, daß im Dielektrikum keine unzulässig
großen Temperaturgradienten auftreten und mechanische Spannungen entstehen. Schädlich
und für die Lebensdauer des Dielektrikums ungünstig ist besonders auch das Auftreten
von Temperaturgefälle in der Dielektrikumsoberfläche bzw. parallel zu dieser, also
stärkere Temperaturdifferenzen und -spränge zwischen Stellen gleichen oder im wesentlichen
gleichen Abstandes von der Oberfläche.
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Wie die Untersuchungen ergeben haben, ist ein gleichmäßiger Wärmeübergang
und damit die Vermeidung von Temperaturgradienten der genannten Art nicht gewährleistet,
wenn die Kühlelektrode lediglich auf der Dielektrikumsschicht aufliegt. Die Möglichkeit,
Abhilfe zu schaffen, indem man die Dielektrikumsschicht nach Metallisierung mit
der Kühlelektrode verlötet, ist wegen der im allgemeinen vorliegenden Verschiedenheit
der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Dielektrikum und Kühlplatte nicht ohne
weiteres gegeben. Auch kann die Dielektrikumsschicht dann den Kräften, die durch
Elektrostriktion auf sie ausgeübt werden, nicht nachgeben.
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Die Erfindung geht deshalb einen anderen Weg, indem erfindungsgemäß
zwischen die dielektrische Stabilisierungsschicht und die Kühlelektrode eine Zwischenschicht
gummiartiger Elastizitätseigenschaften aus leicht verformbarem, schlecht wärmeleitendem
Material hoher innerer mechanischer Dämpfung angeordnet ist. Da die Wärmeleitfähigkeit
klein ist, können durch etwaige Luftspalte oder Zwischenräume zwischen der Schicht
und ihren beiderseitigen Auflagekörpern keine so großen Temperatursprünge in der
Dielektrikumsschicht erzeugt werden wie ohne Benutzung
derartiger
Zwischenschichten. Der Idealfall läge demgemäß vor, wenn die Zwischenschicht dieselbe
Wärmeleitfähigkeit wie Luft aufwiese; denn dann würde ein Luftspalt sich so lange
nicht störend bemerkbar machen, wie seine Dicke klein gegen die Dicke der Zwischenschicht
bliebe; letzteres ist normalerweise immer der Fall.
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Der störende Einfluß etwaiger Luftspalte wird also beim erfindungsgemäßen
Gerät dadurch beseitigt, daß das Material, aus dem die Zwischenschicht besteht,
eine kleine Wärmeleitfähigkeit aufweist. Weiter soll beim erfindungsgemäßen Gerät
dieses Material derartige plastische und elastische Eigenschaften aufweisen, daß
es anschmiegsam ist und dadurch einerseits bewirkt, daß etwaige Luftspalten und
Zwischenräume möglichst vollständig ausgefüllt werden und andererseits die Eigenschaft
hat, etwa entstehende Schwingungsenergie aufzunehmen und in Wärme zu verwandeln.
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Ein geeignetes Material für die genannte Zwischenschicht ist z. B.
Polytetrafluoräthylen (unter dem warenzeichenrechtlich geschützten Namen »Teflon«
im Handel). Auch andere ausreichend wärmefeste Kunststoffe der genannten mechanischen
Eigenschaften sind brauchbar, z. B. eine geeignete Polyäthylensorte, die eine Dauertemperaturbeanspruchung
bis zu l00° C aushält. Andere Materialien etwa gummiartiger Eigenschaften für die
Zwischenschicht sind hochfluorierte Kautschuksorten, Silikone usw.
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überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß die infolge der Benutzung
der Zwischenschicht zu erwartende Beeinträchtigung der Kühlwirkung bei geeigneter
Bemessung der Schichtdicke, z. B. 1 mm, gegenüber dem gewonnenen Vorteil einer gleichmäßigen
Temperaturverteilung nicht ins Gewicht fällt, so daß bei hoher Stromdichte eine
wesentlich verbesserte Haltbarkeit und Betriebssicherheit erzielt wird. Zusammenfassend
sorgt die Zwischenschicht also dafür, daß innerhalb der an der Kühlelektrode liegenden
Oberflächenschicht des Dielektrikums keine störenden Temperatursprünge auftreten
und daß sich die Dielektrikumsschicht ohne wesentliche Behinderung ausdehnen und
zusammenziehen kann, so daß mechanische Schäden durch Wärmeausdehnung oder Elektrostriktion
vermieden werden. Dadurch wird also eine hohe Belastbarkeit der Entladungsstrecken.
(Stromdichte) ohne schädliche Nebenwirkungen erreicht.
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Demselben Zweck dient noch eine weitere Maßnahme, die gleichzeitig
mit der beschriebenen Anordnung einer Zwischenschicht zwischen Kühlelektrode und
Stabilisierungsschicht angewandt wird, um die dadurch erreichte Wirkung hinsichtlich
Belastbarkeit in besonders hohem Maße ausnutzen zu können: Zu diesem Zweck wird
beim erfindungsgemäßen Gerät vorzugsweise ein Teil der Elektrodenanordnung, z. B.
die nicht künstlich gekühlte Elektrode, die vorzugsweise aus Metall, z. B. Aluminium,
besteht und mit dem nicht geerdeten Pol der Hochspannungsquelle verbunden ist, mit
einem dünnen Überzug aus einem Material, z. B. Glas oder Emaille, versehen, dessen
optisches Emissionsvermögen für Wärmestrahlung wesentlich größer ist als das des
Grundmaterials, z. B. der Aluminiumelektrode. Als Überzug können auch Kunststoffe
geeigneter thermischer und optischer Eigenschaften dienen, z. B. die obengenannten
Kunststoffe.
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Ebenso kann auch die der genannten Elektrode gegenüberliegende dielektrische
oder (im Falle eines anderen Hochspannungsentladungsgerätes als eines Ozonerzeugers)
leitende Elektrodenanordnung mit einem solchen Überzug hohen Emissionsvermögens
für Wärmestrahlung versehen sein. Dadurch wird der Wärmeübergang zwischen nichtgekühlter
und gekühlter Elektrode bedeutend verbessert und die Belastbarkeit der Entladungsstrecke
gleichfalls vergrößert.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der Zeichnung erläutert.
Diese gibt ein schematisches Teilschnittbild durch den Entladungsraum eines Hochspannungs-Entladungsgerätes.
Von den einander gegenüberliegenden Elektroden 1 und 6 ist die mit 1 bezeichnete
im dargestellten Ausführungsbeispiel als Hohlelektrode mit innerer Wasserkühlung
ausgebildet. Nach dem Entladungsraum 4 zu ist die Kühlelektrode durch eine Dielektrikumsschicht
3 abgedeckt, die z. B. aus einem keramischen Material hoher Dielektrizitätskonstante
besteht. Zwischen dieser Stabilisierungsschicht und der Oberfläche der Kühlelektrode
ist eine Zwischenschicht 2 aus leicht verformbarem, schlecht wärmeleitendem Material
angebracht.
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Die Anordnung kann auch gemäß dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel
noch ergänzt werden durch einen auf der Unterseite der Stabilisierungsschicht 3
angebrachten und der Stromführung dienenden sehr dünnen Metallbelag 7, der beispielsweise
mit einer gebogenen Metallfolie 8 mit dem Kühlkörper 1 elektrisch verbunden ist.
In diesem Falle dient dieser Metallbelag 7 als unmittelbare Gegenelektrode zur Hochspannungselektrode
6, während dem Elektrodenhohlkörper 1 außer der Stromabführung in erster Linie die
Kühlung obliegt. Die Verwendung eines solchen. an dem Elektrodenkühlkörper
1 angeschlossenen Metallbelages 7 hat gegenüber der alleinigen Verwendung
des Kühlkörpers 1 als Elektrode den Vorteil, daß die Zwischenschicht 2 nicht mehr
als Teil des Dielektrikums wirkt, so daß man in der Materialauswahl für diese Zwischenschicht
dann freier ist.
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Die gegenüberliegende, nicht gekühlte Elektrode 6 trägt nach dem Entladungsraum
4 zu einen Überzug 5
mit hohem optischem Emissionsvermögen. Ein solcher
Überzug, z. B. aus Emaille, kann auch auf der Oberseite der Dielektrikumsschicht
3 in Form eines dünnen Überzuges 5' angebracht sein.
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Anordnungen der geschilderten und dargestellten Art mit paarweise
beiderseits des Entladungsraumes liegenden Elektroden können in größerer Anzahl,
zu einer Batterie vereinigt, übereinander angebracht werden. Die Darstellung der
verschiedenen Schichten in der Zeichnung ist nicht maßstabgetreu, sondern soll nur
den grundsätzlichen Aufbau der Elektrodenanordnung möglichst deutlich erkennen lassen.