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Ionenventil mit Gas oder Dampf niederen Druckes als Leiter Ionenventile,
die als Leiter ein Edelgas oder einen Metalldampf, z. B. Quecksilberdampf, benutzen,
sind für große Leistungen und mittlere Spannungen gewöhnlich mit einem Hauptgefäß
aus Metall und einem Kathodenbehälter und Anodendurchführungen aus Isolierstoff
ausgeführt. Für sehr hohe Spannungen wird es öfters empfohlen, die Anoden in den
oberen Enden von rohrförmigen Isolatoren anzubringen, die außerhalb oder innerhalb
des aus Metall oder Isoliermaterial ausgeführten Hauptgefäßes liegen. Diese rohrförmigen
Isolatoren dienen dazu, dem Vorkommen allzu kleiner Abstände zwischen den Anoden
und den Gefäßwänden vorzubeugen. Es wurde nun aber gefunden, daß das Vorsehen derartiger
Rohrisolatoren im allgemeinen nicht ausreicht, um Rückzündungen zu vermeiden, was
darauf beruht, daß das elektrische Feld an gewissen Stellen allzu zusammengedrängt
wird, falls es lediglich durch. die elektrostatische Wirkung bestimmt werden soll.
Es sind ferner Ionenventile bekannt mit Gas oder Dampf niederen Druckes, bei denen
der der Anode am nächsten liegende Teil der Strombahn in einem Rohr verläuft, welches
einen einen oder mehrere Längskanäle für . den Durchtritt der Entladung frei lassenden
Körper so hohen Längswiderstandes enthält, daß er die ganze Spannung zwischen Anode
und Kathode an seinen Enden ohne Überhitzung ertragen kann. Durch diese Anordnung
soll der Rückzündungsstrom stark gedrosselt werden. Bei einer der bekannten Anordnungen
verläuft der der Anode nächstliegende Teil der Strombahn in einem Isolierrohr, auf
dessen Oberfläche der Widerstandskörper in Form eines sehr dünnen metallischen Überzuges
aufgebracht ist. Dieser Widerstandskörper wird an eine geeignete Spannung angeschlossen.
Bei einer anderen bekannten Anordnung weist der schlecht leitende Körper eine große
Zahl von Längskanälen auf und liegt mit seinem einen Ende der Anode unmittelbar
an, so daß der Widerstandskörper mit diesem Ende dauernd an die Anodenspannung angeschlossen
ist.
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Bei den bekannten Anordnungen liegen die Verhältnisse derart, daß
ein Rückzündungsstrom auftreten kann. Er soll nur durch die vorgesehenen Mittel
auf einen unschädlichen Wert begrenzt werden.
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Im Gegensatz hierzu soll durch das Ionenventil gemäß der Erfindung
jede Möglichkeit zum Entstehen von Rückzündungen unterbunden werden, und zwar ohne
daß der Wirkungsgrad des Ventils bei normalem Betrieb leidet.
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Das mit Gas oder Dampf niederen Druckes gefüllte Ionenventil gemäß
der Erfindung weist
ebenso wie die vorstehend behandelten bekannten
Ventile ein den, der Anode näcIistliegenden Teil der Strombahn umschließendes Rohr
auf, das einen einen oder mehrere Längskanäle frei lassenden Körper so hohen Längswider,-,
standes enthält, daß er die ganze Spannung'e,4" differenz zwischen Anode und Kathode
an seinen -Enden ohne Überhitzung ertragen, kann. Erfindungsgemäß ist aber die Länge
und Weite des in diesem Falle in einem Isolierrohr befindlichen und mit seinem der
Anode benachbarten oberen Ende wenigstens während der Sperrphase eine negative Spannung
von etwa der Anodenspannung oder mehr erhaltenden, an seinem unteren Ende jedoch
in dem gleichen Zeitraum ungefähr Kathodenpotential besitzenden Widerstandskörpers
so gewählt, daß die Potentialverteilung längs des Widerstandskörpers und in den
von ihm frei gelassenen Kanälen zwangsmäßig in der Sperrphase derart beeinflußt
wird, daß die Weglänge, über die sich ein dem an der ungeschützt gedachten Anode
in der Sperrphase entstehenden Potentialfall entsprechender Potentialfall in den-
vom Widerstandskörper frei gelassenen Kanälen ausbildet, ein Mehrfaches der Länge
ist, die die Potentialschicht an der ungeschützten Anode aufweisen würde.
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Die Zeichnung zeigt mehrere Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes.
Abb. i zeigt ein vollständiges Ionenventil (z. B. als Gleichrichter arbeitend) in
senkrechtem Schnitt mit einer der Erfindung entsprechenden Ausführungsform des Anodensystems.
Abb.2 zeigt eine andere Ausführungsform des Anodensystems in senkrechtem Schnitt
und Abb.3 einen Querschnitt nach der Linie 3-3 in Abb. 2. Abb. 4 zeigt eine Abänderung
der Abb. 3. Abb. 5 bis 7 stellen weitere Ausführungsformen des Anodensystems in
senkrechten Schnitten dar.
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In Abb. i bezeichnet i das Hauptgefäß des Apparates, das z. B. aus
Eisen ausgeführt ist und einen Kandensierdom a, einen isolierten Kathodenbehälter
3 und Kühlmäntel 4 besitzt. Es enthält ferner eine Zündanode 5 Erregeranoden, deren
eine, 6, dargestellt ist, und Hauptanoden 7. Der Hauptteil der Strombahn von jeder
Anode nach der Kathode ist von einem Isolierrohr 8 umgeben, beispielsweise aus Porzellan,
Glas oder Quarz, das aus dem Hauptgefäß hinausragt und am oberen Ende von dem unteren
Teil einer Metallkappe g umschlossen ist, die gegen das Rohr 8 und gegen den Anodenisolator
io abgedichtet ist.
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Das Rohr 8 enthält ein inneres Rohr ix aus Leitungsmaterial hohen
spezifischen Widerstandes, durch das die Entladung hindurchgeht und dessen oberes
Ende sich in kleinem Abstande von der Anode 7 befindet. Das genannte. Ende wird
unter Spannung gehalten, indem es entweder unmittelbar mit der Anode oder, wie gezeigt,
mit einem Punkt der Stromquelle i (z. B. der Sekundärwicklung eines Transformators)
verbunden ist, derart, daß das Rohrende wenigstens während des Sperrzeitraums eine
negative Spannung von etwa der Anoden-',annüng oder mehr erhält. Das untere Ende
''des Widerstandes kann eine Zuleitung 13 besitzen, um ihm z.B. eine nach
einem bestimmten Gesetz wechselnde Steuerspannung aufzudrükken, jedoch so, daß die
Spannung des unteren Endes in der Sperrphase in der Gegend des Kathodenpotentials
liegt. In gewissen Fällen kann jedoch das Aufdrücken einer derartigen Steuerspannung
auf das Widerstandsrohr einen allzu großen. Energieverbrauch bedeuten und also nicht
wünschenswert sein. Man kann dann statt dessen die Steuerspannung auf ein besonderes,
unterhalb des Rohres angebrachtes Gitter 14 mittels eines Leiters 15 aufdrücken,
während das untereEnde des Widerstandskörpers dauernd mit einem Punkt von etwa Kathodenpotential
verbunden wird. Der Widerstandskörper muß imstande sein, die ganze Spannung zwischen
Anode und Kathode ohne Überhitzung auszuhalten.
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Da die Spannungsverhältnisse nahe der Anode bei vorgegebenem Widerstandskörper
ii auch von der Temperatur,, teils unmittelbar, teils mittelbar durch ihren Einfluß
auf den Widerstand des Körpers ii abhängig sind, ist es oft empfehlenswert, das
äußere Isolierrohr durch eine Wärmeisolierung oder eine Heizvorrichtung zu umgeben,
die seine Temperatur auf einem bestimmten Wert hält. Eine derartige Vorrichtung
ist bei 16 schematisch dargestellt.
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Die Länge und der Durchmesser des Widerstandsrohres bzw. der mittlere
Durchmesser, falls das Rohr von unregelmäßiger Form ist (s. weiter unten), werden
so .gewählt, daß längs des Widerstandskörpers und in dem von ihm frei gelassenen
Entladungskanal in der Sperrphase eine derartige Potentialverteilung auftritt, daß
die Weglänge, über die sich ein dem an der ungeschützt zu denkenden Anode in der
Sperrphase entstehenden Potentialfall entsprechender Potentialfall in den vom Widerstandskörper
frei gelassenen Kanal ausbildet, ein Mehrfaches der Länge ist, die die Potentialschicht
an der ungeschützten Anode aufweisen würde. Diese Einwirkung beruht auf der. Höhe
der (aus positiven Ionen bestehenden) Raumladungsschicht, welche den Widerstandskörper
bedeckt, wenn sein. oberes Ende in bezug auf die Kathode negativ ist und sein unteres
Ende ungefähr Kathodenpotential besitzt. Innerhalb des Körpers ii bestimmt der Potentialverlauf
des Widerstandskörpers die Potentialverteilung im Dampf. Die Höhe der Raumladungsschicht,
die sich an einem negativ geladenen Körper ausbildet, hängt vom Potential des davon
bedeckten Körpers ab und ist für hohe Spannungen bei den hier gewöhnlich in Frage
kommenden Betriebsverhältnissen
von der Größenordnung einiger Zentimeter.
Damit der Widerstandskörper die Potentialverteilung im ganzen Kanalquerschnitt über
die erforderliche Wegstrecke bestimmen kann, darf die Kanalweite bestimmte Grenzen
nicht übersteigen.
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In Abb. i ist der untere Teil der Raumladungsschicht, die sich in
der Sperrphase im Innern des Rohrs ii ausbildet, durch eine schwache waagerechte
Schraffierung und ihre innere Begrenzung durch gestrichelte Linien angedeutet. Die
Grenzfläche wird annähernd eine Kegelfläche, da die Höhe der Schicht etwa proportional
der Spannung und letztere ihrerseits etwa proportional der Entfernung des betrachteten
Punktes von dem der. Kathode zugewandten Rohrende ist (gleichmäßige Stromdichte
und gleichmäßiger spezifischer Widerstand vorausgesetzt). Die Spitze dieses Kegels
muß in der weiter unten angegebenen beträchtlichen Entfernung von der Anode und
dem oberen Ende des Körpers ii liegen, um eine hinreichende Sicherheit gegen Rückzündung
zu ergeben, denn diese hängt von der Weglänge ab, die die Anode von einem Punkt
von Kathodenpotentialitrennt, und längs der die Potentialverteilung vom Widerstandsrohr
bestimmt wird. Falls die Spitze des Kegels in derselben oder in kleinerer Entfernung
von der Anode läge als die Höhe der Raumladungsschicht (Potentialfallschicht), welche
die Anode selbst unter der Annahme, daß der Widerstandskörper fehlt, ausbilden würde,
wäre die Sicherheit nicht wesentlich größer als die ohne das Rohr erhaltene. Die
Entfernung der Kegelspitze von der Anode und dem oberen Ende von ii ist deshalb
so zu wählen, daß sie ein Mehrfaches der Höhe der Raumladungsschicht beträgt, welche
die ungeschützte Anode selbst ergäbe. In der Praxis ergibt sich aus dieser Forderung
zugleich die Notwendigkeit, den Halbmesser des Rohres wesentlich kleiner als jene
an der ungeschützt gedachten Anode entstehende Schichthöhe zu bemessen. Man kann
die Sache auch so ausdrücken, daß der Halbmesser des Rohres höchstens gleich der
Schichthöhe sein darf, welche sich an einer ungeschützten Anode bei einer Spannung
einstellt, für die die ungeschützte Anode die Neigung zum Rückzünden zeigt. Man
kann für gewöhnliche Verhältnisse etwa 50 Millimeter als zuläßliche obere
Grenze für den Rohrdurchmesser ansehen, und zwar für den Hauptteil des Rohres, denn
kleinere Stellen mit höherem Durchmesser haben keinen beträchtlichen Einfluß auf
die elektrische Feldverteilung.
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Eine Folge des Höchstmaßes für das Rohr wird auch, daß der Strom pro
Anode oder wenigstens pro Anodenrohr begrenzt wird, in Praxis auf etwa 75 Ampere
bei Apparaten mit Quecksilberdampf niedrigen Druckes als Leiter. Für größere Apparate
wäre es dann nötig, den Strom auf mehrere Anoden oder wenigstens Anodenrohre zu
verteilen.
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in Abb. 2 ist die Anöde 22 innerhalb des Hauptgefäßes .2i angebracht
und von einem Isolierrohr 28 umgeben, das in einem Stück mit dem Durchführungsisolator
des Anodenschaftes ausgeführt ist. Das Rohr 28 enthält einen Widerstandskörper 23,
der in Seitenansicht in Abb. 2 und im Querschnitt in Abb. 3 dargestellt ist. An
beiden Enden trägt der Körper Metallplatten 26, 27 zur Verbindung mit den'' Zuführungsleitern
24, 25 und zur Verteilung des Stroms über seinen Querschnitt. Der Körper kann, ebenso
wie die freien Rohre der übrigen Abbildungen, aus einem Stoff verhältnismäßig hohen
spezifischen Widerstandes bestehen, z. B. aus Siliziumkarbid, das einen spezifischen
Widerstand von etwa i Ohmzentimeter besitzt.
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Abb. 4 zeigt im Querschnitt eine Abänderung des Widerstandskörpers,
indem er aus fünf parallel geschalteten Stäben 29 anstatt eines sternförmigen Stabes,
wie in Abb. 2 und 3, besteht. Das praktische Ergebnis wird unverändert.
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In Abb. 5 ist die Anode 52 von, einem Isolierrohr 58 umgeben, das
wieder vom Gefäß 51 herausragt. Der Widerstandskörper besteht hier aus einem inneren
Überzug 53 des Rohres 58. Da ein solcher Überzug ganz dünn sein kann, ist es möglich,
ihn aus einem Stoff verhältnismäßig niedrigen spezifischen Widerstandes, wie Graphit,
herzustellen.
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In Abb. 6 besteht der untere Teil des äußeren Rohres aus einem aus
dem Hauptgefäß 61 herausragenden Metallrohr 63 und nur der obere, die Anode umgebende
Teil aus einem Isolierrohr 64. Der rohrförmige Widerstandskörper 65 erstreckt sich
durch die beiden Außenrohre. Der obere Teil desselben soll dann an sich die oben
gegebene Hauptbedingung betreffend die Länge und die Weite erfüllen und an seinem
oberen Ende etwa Anodenpotential besitzen, obwohl die Anordnung zu dessen Aufdrücken
nicht besonders dargestellt ist.
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In Abb. 7 ist das Außenrohr 74 im Hauptgefäß 71 eingeschlossen und
besteht ganz aus Isolierstoff. Die Anode 72 besitzt eine Höhlung, und der Widerstandskörper
75 bildet die direkte Fortsetzung der Anodenwandung. Das untere Ende des Widerstandsrohres
wird in diesem Falle lediglich durch die Berührung mit dem ionisierten Gas bei dem
geeigneten Potential gehalten; das vorher ionisierte Gas besitzt in der Sperrphase
stets praktisch das Potential der Kathode. Die Dicke des Rohres nimmt in diesem
Falle gegen das untere Ende hin ab, um eine gleichförmige Stromdichte und also einen
gleichförmigen Spannungsabfall zu geben. Das Isolierrohr trägt an der Innenseite,
unterhalb
und nahe der Anode, einen ringförmigen Wulst 76, um den
Zutritt des Lichtbogens zur Außenfläche der Anode zu verhindern. Die Widerstandskörper
können übrigens ganz allgemein mehrere längs oder quer gehende Wulste besitzen,
um die wirksame Kontaktfläche gegenüber dem Gas zu vergrößern.