DE1194507B - In eine Gasentladungsroehre eingebaute Vorrichtung zur Nachlieferung und zur Aufrecht-erhaltung eines konstanten Druckes des Fuellgases der Roehre - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

HOIj

Deutsche Kl.: 21 g -12/01

Nummer: 1194 507

Aktenzeichen: E 26143 VIII c/21 g

Anmeldetag: 31. Dezember 1963

Auslegetag: 10. Juni 1965

Die Erfindung bezieht sich auf eine in eine Gasentladungsröhre eingebaute Vorrichtung zur Nachlieferung und zum Aufrechterhalten eines konstanten Druckes des Füllgases der Röhre, die eine unabhängig von der Röhre zu speisende elektrische Heizvorrichtung und von dieser geheizte, das absorbierte Gas, insbesondere Wasserstoff, enthaltende Metallmassen enthält.

Bei der Betätigung von Gasentladungsvorrichtungen, wie beispielsweise Gleichrichtern und Thyratrons, treten bei Betriebsbeginn erhebliche Druckschwankungen auf. Auch machen sich während der späteren Betriebszeit dieser Vorrichtungen Druckveränderungen bemerkbar. Die durch diese Veränderungen bedingten Vorgänge, zu denen durch die sogenannten »Aufzehrerscheinungen« verursachte Veränderungen gehören, sind bisher ungeklärt geblieben, so daß man die Verwendung von druckausgleichenden Gasbehältern im Inneren der Gasentladungsvorrichtung zu Hilfe genommen hat. Im Idealfall sollten die Behälter durch zusätzliche Gaszufuhr in die Vorrichtung zum Ersetzen der »Aufzehrverluste« in der Gasentladungsröhre einen konstanten Druck aufrechterhalten. Bisher haben die Gasbehälter diesen Idealzustand jedoch nicht erreicht, denn die bekanntgewordenen Behälter wiesen einen oder mehrere der nachfolgenden Mängel auf: Schlechter Wirkungsgrad, komplizierte und kostspielige Bauteile, zerbrechliche Bauart sowie schlechte Gasregulierung.

So sind bereits Vorrichtungen bekanntgeworden, deren gasabsorbierende Metallmassen aus Metallspänen oder Metallpulver bestehen, welche in einer Anzahl von perforierten, metallischen Heizröhren untergebracht sind, die in einem besonderen vorspringenden Teil der Gasentladungsröhre angeordnet sind. In einer weiter bekanntgewordenen Vorrichtung ist das Gasreservoir in einem Kontaktstift untergebracht.

Die bekannten Behälter zur Regulierung des Gasdruckes weisen den Nachteil auf, daß zum Erzeugen von Wärme unnötige Energie vergeudet wird, da Wärme aus dem Behälterinhalt entweichen kann, ohne in wirksamer Weise zum Erzeugen des während des Betriebs der Röhre verlorengegangenen Gases herangezogen werden zu können. Die bisher bekannten Vorrichtungen sind durch ihre komplizierte Bauart mit einer großen Anzahl von kostspieligen Teilen gekennzeichnet, die zu ihrem Zusammenbau viel Zeit und Arbeit in Anspruch nehmen. Diese Behälter haben den zusätzlichen Nachteil einer hohen Ausschußrate infolge ihrer komplizierten Art und der Schwierigkeit der Gewährleistung eines einwand-

In eine Gasentladungsröhre eingebaute
Vorrichtung zur Nachlieferung und zur Aufrechterhaltung eines konstanten Druckes des Füllgases der Röhre

Anmelder:

Edgerton, Germeshausen & Grier, Inc.,

Boston, Mass. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Müller-Börner

und Dipl.-Ing. H.-H. Wey, Patentanwälte,

Berlin 33, Podbielskiallee 68

Als Erfinder benannt:

Nicholas Reinhardt, Lexington, Mass. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 25. Februar 1963
(260 654)

freien Arbeitens des Behälters. Die bisher bekannten Gasbehälter konnten teilweise infolge ihres komplizierten Aufbaus durch äußere Stöße und Schwingungen, durch die der Behälter oder wichtige Bauteile in Mitleidenschaft gezogen wurden, leicht beschädigt werden, so daß der Behälter unbrauchbar und die Lebensdauer der Vorrichtung verkürzt wurde. Ein weiterer bedeutsamer Nachteil der bisher bekannten Gasbehälter ist die Tatsache, daß sie Gas in der Weise abgeben, daß der Druck in der Gasentladungsröhre erheblich schwankt. Der Grund für diese schlechte Gasregulierung liegt darin, daß die Behälter durch eine Anzahl Parameter beeinflußt werden, von denen jeder eine Auswirkung auf die durch den Behälter abgegebene Gasmenge hat.

Die bisher bekannten Gasbehälter zur Nachlieferung und Regulierung des Gasdruckes stützten sich im allgemeinen auf die metallische Wärmeleitung als ihr Hauptbetriebsmittel. Aus diesem Grund wurden viele Arten von Wärmeabschirmungen zur Verringerung der Wärmeverluste durch Strahlung verwendet, so daß eine maximale Nutzung der durch die Heizvorrichtung für den Behälter erzeugten Wärme dadurch erzielt wurde, daß man diese Wärme auf den Behälterinhalt abgrenzte und sie aus dem Behälter mittels Leitung über Metallteile zur Röhre fließen

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ließ. Eine Untersuchung der bisher bekannten Behälter hat gezeigt, daß einige der besseren Einheiten etwa 65 % ihrer Warme mittels metallischer Leitung und etwa 30% mittels Strahlung abgaben. Die verbleibenden 5 Vo der Behälterwärme wurden mittels Gasübertragung abgegeben. Der Hauptnachteil der Wärmeübertragung aus dem Behälter mittels metallischer Leitung liegt darin, daß zwischen der durch den Behälter abgegebenen Energie und der Behältertemperatur ein lineares Verhältnis besteht. Diese lineare Funktion macht es erforderlich, daß die durch die Heizvorrichtung für den Behälter verbrauchte Energie innerhalb sehr enger Grenzwerte gesteuert wird, um die Behältertemperatur zum Vermeiden des Durchbrennens des Behälters innerhalb vorgeschriebener Grenzwerte zu halten. Ferner hat die Umgebungstemperatur der Gasentladungsröhre eine unmittelbare Auswirkung auf den Behälter und seine Betriebstemperatur. Bei einer konstanten Energieabgabe aus dem Behälter würden Steigerungen der Umgebungstemperatur entsprechend proportionale Steigerungen der Behältertemperatur verursachen, was sich auf den Behälter an sich ungünstig auswirken und das Gleichgewicht in der Gasentladungsröhre stören könnte.

Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten, zur Gasdruckregulierung dienenden Vorrichtungen der eingangs genannten Art weitgehend zu vermeiden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie aus zwei das absorbierte Gas enthaltenden Metallplatten und einer zwischen den Platten angeordneten und sich mit ihnen deckenden, flächenförmigen Heizvorrichtung besteht, die durch einen bandförmigen Heizleiter gebildet ist, der flach liegend mit geringstem Abstand zwischen seinen parallel verlaufenden benachbarten Abschnitten über die ganze Plattenfläche gleichmäßig verteilt hin- und hergeführt und mit einem dünnen Isolierüberzug versehen ist, wobei die das absorbierte Gas enthaltenden Metallplatten auf dem Isolierüberzug des Heizleiters aufliegen, und daß diese plattenförmige Vorrichtung koaxial in der Röhre nahe dem ebenen Röhrenboden und parallel zu diesem angeordnet ist und von Haltern aus die Wärme schlechtleitendem Material getragen wird.

Dabei wird ein schnelles und gleichmäßiges Erhitzen der Platten auf ihre optimale Betriebstemperatur und die Aufrechterhaltung dieser optimalen Betriebstemperatur durch Strahlungskühlung an die Wände der Gasentladungsröhre erzielt, so daß die überschüssig zugeführte Wärme an die Umgebungsatmosphäre der Gasentladungsröhre abgeführt werden kann, was ohne Rücksicht auf Heizstrom- und Heizspannungsveränderungen erzielbar ist.

Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. IA und 1B eine isometrische Seiten- bzw. Draufsicht einer bevorzugten Bauart der Vorrichtung nach der Erfindung zur Regulierung des Druckes des Füllgases einer Gasentladungsröhre,

Fig. 2A, 2B, 2C und 2D Beispiele verschiedenartiger Heizvorrichtungsformen und

F i g. 3 einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Bauart der Vorrichtung in einer Gasentladungsröhre.

Fig. IA und IB zeigen die Vorrichtung nach der Erfindung mit zwei gleichen dünnen Metallplatten 15 und 25, vorzugsweise aus Titan, zwischen denen eine Heizvorrichtung 30 angeordnet ist. Zur gleichmäßigen Erwärmung und wirksameren Gasabgabe werden dünne Platten bevorzugt. Es können zwei oder mehrere solcher Platten beiderseits der Heizvorrichtung 30 verwendet werden, wobei sie dann zur Vermeidung eines Zwischenraumes zwischen ihnen, der eine gleichmäßige Erwärmung erschweren würde, zusammengekittet sind. Die Platten 15 und 25 sind bis auf einen vorbestimmten Wert mit Gas beladen, das

ίο sie bei Druckverminderungen in der die Vorrichtung enthaltenden Gasentladungsröhre freisetzen.

Die flächenförmige Heizvorrichtung 30 besteht aus einem dünnen ebenen metallischen Leiter, beispielsweise aus Molybdän, der flach hin- und hergeführt ist. Die Heizvorrichtung 30 kann in eine beliebige der beispielsweise in Fig. 2A, 2B, 2C oder 2D dargestellten Formen oder in eine gleichartige Anordnung gebracht werden, solange sich die flächenförmige Heizvorrichtung mit den Platten 15, 25 deckt und die benachbarten Abschnitte des bandförmigen Heizleiters nahe aneinander angeordnet sind, so daß der Heizleiter bei einem minimalen Zwischenraum zwischen den benachbarten Abschnitten der Heizvorrichtung den größtmöglichen Raum ausfüllt. Die Heizvorrichtungen nach Fig. 2A und 2B haben einen kreisrunden Außenumfang, wobei die erste Spiralform und die letztere Zickzackform hat. Nach Fig. 2Chat die Heizvorrichtung einen quadratischen Außenumfang, während nach Fig. 2D der Außenumfang rechteckig ist. Der Außenumfang der Heizvorrichtung ist von der Form der Platten 15 und 25 abhängig. Sowohl die Platten 15 und 25 als auch das Heizelement 30 haben vorzugsweise die gleiche Gesamtform, weil sie sich zum wirksamen Erwärmen der Platten bis auf eine gleichmäßige Temperatur decken sollen.

Zum gleichmäßigen Heizen ist es wichtig, daß die Heizvorrichtung 30 über ihre gesamte Ausdehnung eine im wesentlichen gleichmäßige Dicke und Breite aufweist, da bekanntlich der elektrische Widerstand der Heizvorrichtung eine Funktion sowohl der Dicke als auch der Breite des metallischen Leiters ist.

Zur Schaffung der notwendigen Isolierung und zum Ermöglichen der Anbringung der Teile der Heizvorrichtung in einem minimalen Abstand voneinander kann durch Sintern und Brennen bei einer erhöhten Temperatur ein dünner Aluminiumüberzug aufgebracht werden, oder man kann, wie in der USA.-Patentschrift 2 919 373 beschrieben, das zerstäubte geschmolzene Isoliermaterial durch Sprühen bei Raumtemperatur unmittelbar auf das Heizelement aufbringen. Andere bekannte Isolierstoffe können ebenfalls verwendet werden. F i g. 1C zeigt einen vergrößerten perspektivisch dargestellten Ausschnitt aus einem Teil des in Fig. 2B, 2C und 2D dargestellten Heizelementes mit einem Isolierüberzug 40. Es sei bemerkt, daß die einander benachbarten Abschnitte des Heizelementes 30 so nahe aneinander angeordnet werden können, daß beim Auftragen des Isolierüberzuges 40 der Überzug des einen Abschnittes mit dem Überzug eines benachbarten Abschnittes in direkter Berührung steht. Die Abschnitte müssen natürlich gegeneinander isoliert sein, damit der gleichmäßige Stromfluß durch alle Abschnitte des Heizelementes gewährleistet ist, der somit eine gleichmäßige Erwärmung der Platten 15 und 25 erzeugt.

Die Platten 15 und 25 werden mit dem isolierenden Überzug 40 der Heizvorrichtung 30 in Berührung ge-

bracht, um eine maximale Wärmeübertragung aus der Heizvorrichtung 30 auf die mit Gas beladenen Platten 15 und 25 zu gewährleisten und eine im wesentliehen gleichmäßige Erwärmung der Platten zu bewirken. Durch Erwärmen der Platten auf gleichmäßige Temperaturen wird ein bei vielen bisher bekannten Behältern anzutreffender schwerwiegender Mangel behoben. Diesen Mangel kann man als »Kreislaufwirkung« bezeichnen. Wenn 'in dem mit Gas beladenen Metall unterschiedliche Temperaturen bestehen, können die wärmeren Abschnitte Gas freisetzen, während gleichzeitig die kälteren Abschnitte Gas absorbieren können, so daß als Auswirkung ein Gaskreislauf erzeugt wird. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die Platten gleichmäßig erwärmt, um die Temperatur über ihre gesamte Ausdehnung im wesentlichen konstant zu halten, so daß die »Kreislaufwirkung« verhindert wird.

Die Platten 15 und 25 werden zusammen mit der Heizvorrichtung 30 mittels mehrerer, vorzugsweise dreier, kurzer Stifte 12 starr angebracht, die um den Behälter herum im wesentlichen gleichmäßig zueinander versetzt angeordnet und mittels eines beliebigen der bekannten Verfahren, beispielsweise durch Verschweißen mit den Wänden der Kathode5 (Fig. 3) oder mit einem beliebigen geerdeten Stromrückfiußweg, befestigt. Für die Stifte 12 wird ein Werkstoff verwendet, der neben einer mechanischen Festigkeit eine möglichst niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist.

der durch den Behälter abgegebenen Energie und seiner Temperatur kein lineares Verhältnis mehr, sondern nunmehr ein Verhältnis der vierten Potenz. Dies ist von Bedeutung, da bei den Betriebstemperatüren der Vorrichtung Veränderungen in der aus der Heizenergiezufuhr der Heizvorrichtung 30 zugeführten Energie sehr kleine Veränderungen der Temperatür der das Gas enthaltenden Vorrichtung erzeugen. Aus diesem Grund kann ein viel größerer Spannungsbereich für die Heizvorrichtung, als es bisher möglich war, verwendet werden. Es wurde festgestellt, daß die Vorrichtung nach der Erfindung bei Heizspannungen verwendet werden kann, die 15 bis 20% oder mehr nach oben oder unten schwanken. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Vorrichtungstemperatür durch Veränderungen der Umgebungstemperatur der Wände der Gasentladungsröhre, in der die Vorrichtung eingebaut ist, nur in verhältnismäßig geringern Umfang beeinträchtigt wird.

Die Vorrichtung 4 gemäß der Erfindung ist in Fig. 3 in einer Röhre nach Art eines Keramik-Kolben-Thyratrons, wie es in der USA.-Patentschrift 3 075114 beschrieben ist, dargestellt. Fig. 3 zeigt eine becherförmige Anodenelektrode 1,

as eine Steuerelektrode3 in Form einer umgestülpten Schale und eine Kathodenelektrode 5 nach Art einer Rippenkathode, wie sie in der USA.-Patentschrift 2 937 302 beschrieben ist. Diese drei Elektroden sind mit Flanschen 1', 3' bzw. 5' versehen, die zwischen

Ein Beispiel für einen solchen Werkstoff ist eine 30 Wandabschnitten 2 des Keramikkolbens abgedichtet Kobalt-Eisen-Nickel-Legierung. Indem man die Stifte sind, wie es in der USA.-Patentschrift 2 842 699 eri i

gg

12 an einen geerdeten Stromrückflußweg anschließt, braucht nur ein einadriger isolierter Leiter 13 durch die Gehäusewand zu einer (nicht dargestellten) Heizenergiequelle geführt zu werden. Ein Ende der Heizvorrichtung 30 wird an den isolierten Leiter 13 angeschlossen, während ihr anderes Ende über die Stifte 12 an den geerdeten Stromrückflußweg angeschlossen wird. Gewünschtenfalls kann auch ein gesonderter Rückflußleiter verwendet werden.

läutert ist. Die Steuerelektrode 3 kann, wie bei 7, mit Öffnungen versehen sein und nahe der Anode 1 liegen, wobei außerdem ein über den Öffnungen 7 liegender Gitterschutzschirm 9 vorgesehen sein kann. Es kann auch ein Kathodenschutzschirm 11 verwendet werden. Ein weiterer Kathodenschutzschirm 14 kann zwischen der beheizten Kathode 5 und dem Behälter 4 angeordnet werden. Eine vollständigere Be-Schreibung der Röhre sowie weitere Einzelheiten ihres

Die Aufheizzeit der das Gas enthaltenden Vor- Aufbaus werden weggelassen, um nicht von den richtung wird verringert, da die Bauweise der Heiz- Merkmalen der Erfindung abzulenken,
vorrichtung 30 für einen gleichmäßigen Stromfiuß In Betrieb wird durch die erfindungsgemäße Vordurch alle Teile sorgt, so daß das Auftreten von das richtung bei Veränderungen des Druckes sowie der Temperaturgleichgewicht verzögernden warmen und 45 Temperatur in der Entladungsröhre Gas, beispielskl l h id if

gg g

kalten Stellen ausgeschaltet wird.

Diese Vorrichtung arbeitet im Gegensatz zu den bisher bekannten Behältern mittels Wärmeübertragung aus den Platten 15 und 25 hauptsächlich durch Strahlung. Dadurch kommen Wärmeabschirmungen, die bei den früheren Behältern ein wesentlicher Bestandteil waren, in Fortfall. Durch Verwendung des Strahlungsprinzips werden die Vorteile des Stefan-Boltzmann-Gesetzes auf die Wärmeabgabe des Behälters angewendet. Dieses Gesetz lautet:

— w —

ρ σ

_ r 4Ϊ

^w — Q^σ

w = Energie in Watt

0 = Emissionsvermögen der Platten 15 und 25, σ = Stefan-Boltzmann-Konstante, T = Temperatur der Platten 15 und 25, T_n = Umgebungstemperatur.

Da die Wärmeübertragung durch Strahlung dem Stefan-Boltzmann-Gesetz folgt, besteht jetzt zwischen weise Wasserstoff, abgegeben. Wenn das Gas infolge des vorstehend erörterten »Aufzehrvorganges« aufgebraucht ist, führt die Vorrichtung der Röhre zusätzliches Gas zu. Es ist natürlich unmöglich, das durch die Vorrichtung abgegebene Gas so zu regu-Heren, daß das Gas auf einem genau vorbestimmten Druck gehalten wird, jedoch kann durch Einwirken auf die Temperatur- und Druckunterschiede zwisehen der Röhre und der Gasnachlieferungsvorrichtung der Gasdruck in der Röhre innerhalb eines sicheren Arbeitsbereiches gehalten werden. Bei Abg_ak_{e von} Q_as ^urch ςβ_β Vorrichtung erfordert sie konstant einen unendlich kleinen Temperaturanstieg, um nötigenfalls mehr Gas abzugeben. Infolgedessen verlängert der vermehrte Betriebsenergiebereich der Vorrichtung nach der Erfindung die Lebensdauer der

_r Die einfache Bauweise der Vorrichtung nach der Erfindung wird aus den Zeichnungen und der vorstehenden Beschreibung offenbar. Diese einfache, fest angebrachte Bauweise führt zu einer robusten Vorrichtung, die von außen einwirkenden Stoßen und Schwingungen standhält.

Als Beispiel wurde die in F i g. 1A und 1B dargestellte Vorrichtung aus zwei kreisrunden Titanplatten mit einem Durchmesser von etwa 25 mm und einer Dicke von 0,25 mm und einer Molybdän-Heizvorrichtung mit einer Dicke von 0,125 mm ohne Isolierung und 0,45 mm mit aufgebrachter Isolierung hergestellt. Der Spannungsbereich für die Heizvorrichtung lag zwischen 5,4 und 7,6 V, bei einer Aufheizzeit von etwa 4 Minuten bei 5,8 V und etwa der Hälfte dieser Zeit bei 7,6 V. Bei 6,3 V betrug die Betriebstemperatur der Heizvorrichtung etwa 800° C, und bei einer Lebensdauerprüfung arbeitete die Vorrichtung mehr als 2400 Stunden ohne Anzeichen dafür, daß die maximale Lebensdauer erreicht wurde. Bei dieser Vorrichtung erfolgte die Wärmeübertragung zu 66^e/o mittels Strahlung, zu 33% mittels Gasübertragung zu nur etwa 1 % mittels metallischer Leitung.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. In eine Gasentladungsröhre eingebaute Vorrichtung zur Nachlieferung und zum Aufrechterhalten eines konstanten Druckes des Füllgases der Röhre, die eine unabhängig von der Röhre zu speisende elektrische Heizvorrichtung und von dieser geheizte, das absorbierte Gas, insbesondere Wasserstoff, enthaltende Metallmassen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus zwei das absorbierte Gas enthaltenden Metallplatten (15, 25) und einer zwischen den Platten angeordneten und sich mit ihnen deckenden, flächenförmigen Heizvorrichtung (30) besteht, die durch einen bandförmigen Heizleiter gebildet ist, der flach liegend mit geringstem Abstand zwischen seinen parallel verlaufenden benachbarten Abschnitten über die ganze Plattenfläche gleichmäßig verteilt hin- und hergeführt und mit einem dünnen Isolierüberzug (40) versehen ist, wobei die das absorbierte Gas enthaltenden Metallplatten auf dem Isolierüberzug des Heizleiters aufliegen, und daß diese plattenförmige Vorrichtung (4) koaxial in der Röhre nahe dem ebenen Röhrenboden (2') und parallel zu diesem angeordnet is.t und von Haltern (12) aus die Wärme schlechtleitendem Material getragen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (15, 25) dünne Titanplatten sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (30) aus Molybdän besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (15, 25) kreisrund und das Heizelement (30) spiralförmig ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (15, 25) kreisrund sind und das Heizelement (30) eine Zickzackform aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (15, 25) quadratisch sind und das Heizelement (30) einen quadratischen Außenumfang und eine geradlinige Form hat.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten rechteckig sind und das Heizelement (30) einen rechteckigen Außenumfang und eine geradlinige Form hat.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschriften Nr. 806 946, 915 664;
USA.-Patentschrift Nr. 2 890 319.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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