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Verfahren zur Kühlung eines langgestreckten und vorzugsweise horizontal
gestellten lonenventilgefäßes Die Erfindung bezieht sich auf Quecksilberionenventile,
und zwar insbesondere auf solche größerer Leistung, und betrifft ein Verfahren zur
Kühlung derartiger Ventile, deren Anoden hintereinander auf einem langgestreckten
und vorzugsweise horizontal gestellten Gefäß angeordnet sind.
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Es ist bekanntlich für den normalen Betrieb eines lonenventils von
entscheidender Bedeutung, daß die Temperatur im Entladungsgefäß innerhalb bestimmter
und ganz enger Temperaturgrenzen gehalten wird. Das bedeutet, daß die bei großen
Leistungen erhebliche Verlustwärme wirksam abgeführt werden muß. Für die Kühlung
der Ventile verwendet man, soweit augängig, Luftkühlung, wobei der Kühlluftstrom
unmittelbar die Oberfläche des Ventilgehäuses umspült. Das geschieht entweder in
der Weise, daß das Gefäß ständig durch einen Kühlluftstrom gekühlt wird, dessen
Menge in Abhängigkeit von der Belastung der Ventile und auch von der Raumtemperatur
geregelt wird, oder durch Verwendung zweier Ventilatoren, von denen der eine nur
zugeschaltet wird, wenn die Belastung des Ventils einen bestimmten Grenzwert übersteigt.
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Bei der üblichen kreisförmigen Anordnung der Anoden in einem runden
Ventilgefäß ist die Anwendung der Luftkühlung nur bis zu einer gewissen Ventilleistung
durchführbar. Oberhalb dieser Leistung reicht die Oberfläche des Gehäuses nicht
mehr aus, um die anfallende Verlustwärme mit Hilfe eines Luftstromes abführen zu
können. Diese Leistungsgrenze läßt sich nun erheblich hinaufsetzen, wenn die Anoden
des Ventils auf einem langgestreckten, zylindrischen und horizontal gestellten Gefäß,
und zwar auf der Oberseite des Gefäßes, angeordnet sind. Ein solches Gefäß hat einmal
einen kleinen Durchmesser und zum anderen infolge seiner Länge eine große Oberfläche,
so daß es verhältnismäßig leicht ist, mit einem Kühlluftstrom eine genügende Kühlung
des Gefäßes zu erreichen.
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Bei Verwendung von Luftkühlung tritt aber bei den langgestreckten
Ventilgefäßen die Schwierigkeit auf, daß die Kühlluft auf ihrem Weg längs des Gefäßes
erwärmt wird, so daß die Temperatur in dem Gefäß an einem Ende höher wird als am
anderen Ende. Sind die Verluste gleichmäßig längs des Gefäßes verteilt und die Kühlfläche
pro Längeneinheit des Gefäßes konstant, so wird die Temperatursteigerung innerhalb
des Gefäßes dieselbe wie die der Kühlhift längs des Gefäßes. Da die Anoden in Reihe
in der Längsrichtung des Gefäßes angeordnet sind, bedeutet dies, daß die verschiedenen
Anoden bei verschiedenen Temperaturverhältnissen arbeiten. Wenn keine besonderen
Maßnahmen getroffen werden, kann der Temperaturunterschied zwischen den beiden Enden
des Gefäßes von derselben Größe wie oder vielleicht noch größer als das Temperaturgebiet
sein, innerhalb dessen das Gefäß sich befinden muß, wenn ein normaler und ungestörter
Betrieb sämtlicher Anoden aufrechterhalten werden soll. Der Zweck der Erfindung
ist, eine möglichst gleichmäßige Temperatur im Gefäß längs seiner ganzen Länge zu
erreichen.
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Das Kühlverfahren gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß ein Kühlluftstrom durch einen das Gefäß umgebenden Kühlmantel längs der Oberfläche
des Gefäßes in seiner Längsrichtung in solchen Mengen geleitet wird, daß die Temperaturzunahme
der Kühlluft eine vorausbestimmte Größe nicht übersteigt und daß der Kühlhiftstrom
mit Hilfe eines temperaturempfindlichen Organs ganz unterbrochen wird, wenn die
Temperatur des Gefäßes auf einen vorausbestimmten Wert gesunken ist, aber wieder
mit voller Geschwindigkeit zugelassen wird, wenn die Temperatur des Gefäßes auf
einen bestimmten höheren Wert gestiegen ist.
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Die Temperaturgunahme der Kühlluft ist umgekehrt proportional der
Kühlluftinenge in der Zeiteinheit, die ihrerseits bei einem gegebenen Querschnitt
des Kühlmantels proportional der Luftgeschwindigkeit ist. Die Größe des Kühlinantels
und
die Geschwindigkeit der Kühlluft sind nach der Erfindung so
bemessen, daß bei voller Belastung des Ionenventils die Temperaturzunahme der Kühlluft
mit gutem Spielraum innerhalb der für den Betrieb des Ventils zulässigen Grenzen
gehalten wird. Bei kontinuierlichem Luftstrom würde aber eine solche Kühlung bewirken,
daß die mittlere Temperatur des Gefäßes zu stark absinkt. Aus diesem Grunde wird
der Kühlluftstrom unterbrochen, wenn die Temperatur des Gefäßes auf einen gewissen
Wert gesunken ist, und erst wieder zugelassen, wenn die Temperatur auf einen bestimmten
höheren Wert gestiegen ist. Es ist hierbei wichtig, daß der Luftstrom abwechselnd
,ganz unterbrochen oder mit voller Geschwindigkeit durchgelassen wird, da eine Regulierung
der Geschwindigkeit der Luft auf einen niedrigeren Wert mit sich bringen kann, daß
die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Enden des Gefäßes unzulässig hoch wird.
Die Oberfläche des Gefäßes kann vorteilhaft mit Kühlrippen versehen sein, um die
Kühlung zu verbessern. Auch hierbei ist immer noch eine gewisse KühRuftmenge erforderlich,
um die Temperatursteigerung der KühRuft innerhalb der zulässigen Grenzen zu halten.
Wenn eine Berechnung zeigt, daß die erforderliche Luftmenge sehr hoch ist, kann
man nach der Erfindung die zulässige Temperatursteigerung der Kühlluft erhöhen und
durch eine solche Bemessung der Kühlrippen die Luftmenge begrenzen, daß die Oberfläche
der Rippen in der Richtung des Luftstromes zunimmt, so daß die Wärmeableitung trotz
steigender Temperatur der Kühlluft in der Längsrichtung des Gefäßes gleichmäßig
wird.
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Wegen der Genauigkeit, mit der die Kühlluft gesteuert werden muß,#'und
wegen der geringen spezifischen Wärme der Kühlluft, z. B. in Vergleich mit einem
flüssigen Kühlmittel, muß das temperaturempfindliche Organ sehr empfindlich und
stabil sein und geringe Wärmekapazität besitzen. Um diese Anforderungen zu erfüllen,
dient nach der Erfindung als temperaturempfindliches Organ ein unter dem Namen »Thermistor«
bekannter temperaturabhängiger Widerstand, der im Steuerkreis eines Verstärkers
eingeschaltet ist. Dieser Verstärker kann nach der Erfindung als Zweistufenverstärker
ausgeführt sein ' in dem die eine Stufe aus einer vier Zweige enthaltenden
Brücke besteht, deren zwei einander gegenüberliegenden Zweige aus ohmschen Widerständen
bestehen, während die beiden anderen, einander gegenüberliegenden Zweige aus zwei
gleichen Primär-C wicklungen eines Isoliertransformators bestehen, dessen Sekundärwicklung
in Reihe mit dem Thermistor den Steuerkreis des Verstärkers bildet.
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Der Erregerstrom des Transformators wird von einem Kondensator kompensiert.
Die Speisespannung der Brücke ist über der einen Diagonale der Brücke angeschlossen,
während die Ausgangsspannung von der anderen Diagonale entnommen und der anderen
Stufe des Verstärkers zugeführt wird, die von einer bekannten Art sein kann, z.
B. ein Transduktorverstärker.
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Durch Regelung der beiden ohmschen Widerstände ist die Brücke auf
eine gewisse Ausgangsspannung eingestellt, bei welcher die andere Stufe des Verstärkers
ausgeglichen ist und einer gewissen Temperatur des lonenventils entspricht. Eine
Änderung dieser Temperatur bringt eine Änderung des Widerstandes des Thermistors
mit sich, wobei der Widerstand der beiden Primärwicklungen in entsprechender Weise
und so auch das Potential in den beiden Ausgangspunkten der Brücke, je in
ihren Richtungen, geändert wird und eine Änderung der Ausgangsspannung bewirkt.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben,
die schematisch ein Kühlsystem nach der Erfindung für ein Ionenventil mit vier Anoden
zeigt.
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Das Entladungsgefäß 1 ist innerhalb eines Kühlmantels 2 angebracht,
durch den die Kühlluft von einem Ventilator 3 getrieben wird, der an dem
einen Ende des Gefäßes angebracht ist. Die Kühlluft durch den Kühlmantel wird mit
Hilfe einer Klappe 4 an dem anderen Ende des Gefäßes gesteuert. Die Größe des Kühlmantels
und die Leistung des Ventilators ist, wie bereits angegeben, so bemessen, daß die
Temperaturdifferenz zwischen den beiden Enden des Gefäßes bei kontinuierlichem Luftstrom
und voller Belastung des Ionenventils nicht einen gewissen maximalen Wert überschreitet.
Die Begrenzung der Kühlung durch einen intermittierenden Luftstrom wird mit Hilfe
der genannten Klappe 4 vorgenommen, die durch ein temperaturempfindliches Organ
5, in diesem Fall ein Thermistor, gesteuert wird. Der Thermistor
5 ist im Steuerkreis eines Zweistufenverstärkers eingeschaltet, in welchem
die erste Stufe aus einer vier Zweige enthaltenden Brücke 6 besteht. Zwei
einander gegenüberliegende Zweige dieser Brücke bestehen aus zwei Primärwicklungen
7 und 8 eines Isoliertransformators 10. Die Primärwicklung
7 ist mit einem Kondensator 11 parallel geschaltet, dieser kompensiert
die reaktive Leistung des Transformators und könnte somit auch über die Sekundärwicklung
9 angeschlossen werden. Die beiden anderen einander gegenüberliegenden Zweige
der Brücke bestehen aus zwei ohmschen Widerständen 13 und 14. Der Steuerkreis
besteht, wie gezeigt, aus der Sekundärwicklung 9 des Isoliertransformators
10 in Reihe mit dem Thermistor 5. Die Speisespannung der Brücke wird
über die eine Diagonale der Brücke angeschlossen, nämlich in den Punkten
15 und 16.
Die Speisespannung ist eine Wechselspannung, die von einer
Sekundärwicklung 21 eines Transformators 20 abgenommen wird. Die Ausgangsspannung
wird über die andere Diagonale der Brücke 6 entnommen, nämlich von den Punkten
17 und 18. Die Einstellung der Klappe 4 wird von einem Zweiphasenmotor
30
ausgeführt. Der Speisestrom des Motors 30 kommt von einer Sekundärwicklung
23 des Transformators 20 durch zwei gleiche Transduktoren 25 und
25,
die die andere Stufe des Verstärkers bilden und die jeder für sich direkt
selbsterregt sind. Ferner sind die Transduktoren von einem Gleichstrom in zwei Wicklungen
26, 27 vormagnetisiert, der über einen Gleichrichter 24 von einer Sekundärwicklung
22 des Transformators 20 kommt. Der Strom der beiden Vormagnetisierungswicklungen
26 und 27 ist mittels zweier variabler Widerstände 28 und
29 eingestellt. Die Transduktoren 25 und 25' und somit der
Motor 30 werden von den beiden Erregungswicklungen 31
und
32 gesteuert, die mit der Ausgangsspannung der Brücke 6 über den Gleichrichter
33 gespeist werden. Die Erregungswicklungen 31 und 32 sind
derart entgegenwirkend, daß eine Steigerung des Stromes vom Gleichrichter
33 durch die beiden Erregungswicklungen 31 und 32 die Induktanz
des einen der Transduktoren 25 und 25' steigert und den anderen der
Transduktoren begrenzt.
Bei den gewünschten Temperaturen des Entladungsgefäßes
sind die Widerstände 13 und 14 gleich und im Verhältnis zu der Resistanz
der übrigen Zweige der Brücke so eingestellt, daß sie ungefähr die halbe Speisespannung
aufnehmen. Dies bedeutet, daß die Brücke schräg eingestellt ist, so daß eine gewisse
Ausgangsspannung über den Punkten 17 und 18 erhalten wird.
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Da die Brücke mit Wechselstrom gespeist ist, bekommt man dieselbe
Ausgangsspannung auch bei einer anderen Einstellung, nän-Aich der entsprechenden
Einstellung auf der anderen Seite des Balancierungspunktes der Brücke. Der Arbeitspunkt
der Brücke ist deshalb so gewählt, daß dieser andere Punkt niemals bei den vorkommenden
Temperaturen erreicht wird.
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Die Ausgangsspannung der Brücke 6 speist die Steuerwicklungen
31 und 32 der Transduktoren 25
und 25' über einen Gleichrichter
33. Diese Wicklungen sind so geschaltet, daß die beiden Transduktoren in
entgegengesetzten Richtungen erregt sind.
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Bei der gewünschten Temperatur des Ionenventilgefäßes wird der Strom
in den Steuerwicklungen 31
und 32 von dem Vormagnetisierungsstrom in
den Wicklungen 26 bzw. 27 kompensiert, so daß die beiden Transduktoren
möglichst große Induktanz haben und praktisch die ganze Spannung der Wicklung
23
des Transformators 20 aufnehmen. Der Motor 30 ist somit in Stillstand.
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Wenn die Temperatur des Ionenventilgefäßes sich ändert, ändert sich
auch die Resistenz des Thermistors welche Änderung den Widerstand der Wicklungen
7
und 8 des Isoliertransformators 10 beeinflußt. Hierdurch ändert
sich die schräge Stellung der Brücke 6,
so daß das Potential der Punkte
17 und 18 in entgegengesetzten Richtungen geändert wird.
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Der Strom der Steuerwicklungen 31 und 32 wird hierbei
derart geändert, daß die Induktanz des einen Transduktors stärker steigt, während
die Induktanz des anderen Transduktors sinkt, so daß dieser Transduktor eine Spannung
an den Motor 30 liefert, wobei die eine Motorwicklung direkt gespeist wird,
während die andere Wicklung über den Kondensator 34 gespeist wird, so daß der Strom
in dieser Wicklung phasenverschoben ist im Verhältnis zum Strom in der direkt gespeisten
Wicklung. Der Motor bekommt dabei ein Drehmoment und öffnet die Klappe, wenn die
Temperatur zu hoch ist. Wenn die Temperatur des Gefäßes zu niedrig ist, ist der
Strom der Wicklungen 31 und 32 in entgegengesetzter Richtung geändert,
so daß die Transduktoren in entgegengesetzter Richtung wirken. ,
Die Wicklung
des Motors, die ira obengenannten Fall direktgespeist war, ist nun über den Kondensator
34 gespeist, während die andere Wicklung direktgespeist ist. Der Motor dreht sich
nun in die andere Richtung und schließt die Klappe. Die Klappe ist somit immer,
wenn eine Temperaturabweichung entsteht, entweder ganz geöffnet oder ganz geschlossen.