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Insbesondere durch einen Luftstrom gekühlter Vakuumentladungsapparat
mit Quecksilberkathode, Gas- oder Dampffüllung und metallenem Gefäß Die Erfindung
bezieht sich auf elektrische Entladungsgefäße mit Gas- oder Dampffüllung und metallischer
Wandung, und zwar auf Stromrichter mit O_uecksilberkathode.
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Die neuere Entwicklung bei Vakuumentladungsapparaten geht dahin, den
Gas- oder Dampfdruck im Innern des Gefäßes auf höhere Werte, vorzugsweise zwischen
einigen Hundertsteln und einigen Zehnteln Millimeter Ouecksilbersäute einzustellen,
um die Belastbarkeit zu steigern. Die Folge dieser Druckerhöhung ist, daß die Abstände
der Elektroden kleiner, gemacht werden müssen, damit sie, in freien Weglängen der
Elektronen gemessen, doch ungefähr gleichbleiben, was mit Rücksicht auf die Spannungsabfälle
im Innern des Gefäßes erforderlich ist. Diese Notwendigkeit einer räumlichen Zusammendrängung
der Elektroden führt bei den üblichen metallenen Stromrichtern, bei denen meist
zumindest die Anoden vom -Gefäßdeckel aus eingeführt sind, zu konstruktiven und
betriebstechnischen Schwierigkeiten, insbesondere auch hinsichtlich einer wirtschaftlcheh
Kühlung.
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Gegenstand der Erfindung ist ein metallener Vakuumentladungsapparat
mit Quecksilberkathode und mit Gas- oder Dampffüllung, bei welchem diese Schwierigkeiten
beseitigt und darüber hinaus noch verschiedene wesentliche Vorteile erzielt sind.
Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß gleichzeitig erstens der Druck zwischen
einigen Hundertsteln und einigen Zehnteln Millimeter Quecksilbersäule gewählt wird,
zweitens sämtliche Hauptelektroden und gegebenenfalls auch die Hilfselektroden vom
Boden des Gefäßes aus eingeführt sind, und drittens der untere, die Elektroden enthaltende
und als Entladungsraum dienende Teil des Gefäßes gegen den oberen, als Kondensationsraum
dienenden Teil thermisch durch einen Einsatzkörper abgeschirmt ist.
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Bei Glasgleichrichtern ist es an sich bekannt, daß der Quecksilberdampfdruck
bis zu einigen Hundertsteln Millimetern Ouecksilbersäule ansteigen kann. Die Erfindung
bezieht sich demgegenüber jedoch auf Stromrichter mit Metallwandung, bei welchen
man bisher praktisch ausschließlich mit Quecksilberdampfdrucken von nur wenigen
fausen.dsteln Millimetern Quecksilbersäule gearbeitet hat.
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Es ist ferner bekannt, bei Metalldampfgleichrichtern die Elektroden
vom Boden her einzuführen, jedoch handelt es sich bei diesen
älteren
Anordnungen um Gefäße, hei denen der Dampfdruck, wie bisher allgemein üblich, sehr
klein gewählt ist. Bei diesen geringen Drucken muß aber der Abstand zwischen der
Kathode und den Anoden verhältnismäßig groß sein, und demgemäß sind auch bei Einführungen
sämtlicher Elektroden von unten aus die Anodenbolzen und die Einführungsisolatoren
sehr lang ausgebildet. Die Einführung der Elektroden vom Boden aus bietet also bei
den bisher üblichen Gleichrichtern mit geringem Dampfdruck gegenüber einer Einführung
von oben aus praktisch keine besonderen Vorteile.
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Anders liegen demgegenüber die Verhältnisse bei einem Vakuumentladungsgefä
ß gemäß der Erfindung, dessen Dampfdruck verhältnismäßig groß ist. Hier sVllt gerade
die Anordnung der Elektroden am Boden des Gefäßes einen wesentlichen Fortschritt
gegenüber der Einführung vorn Deckel aus dar, da hier wegen des hohen Druckes der
Abstand zwischen der Kathode und den Änoden gering beniesseri werden inul) und somit
auch nur Einführungsröhren geringer Länge für die Anoden notwendig sind. Insbesondere
in konstruktiver Hinsicht ist das von großer Bedeutung, da sich kurze Anodenisolatoren
und Anodenbolzen viel leichter fest und mechanisch widerstandsfähig einbauen lassen,
als lange Isolatoren und Bolzen.
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Bei den bekannten Gleichrichtern finit Metallwandung ist ferner auch
nicht die für den Erfindungsgegenstand wesentliche thermische Abschirmung des unteren,
als Entladungsraum dienenden Teiles des Gleichrichters gegen den oberen, als Kondensationsraum
dienenden Teil vorgesehen. Vielmehr sind hei den bekannten Anordnungen die Wände,
die zur Kondensation des Ouecksilberdampfes dienen, meist unmittelbar der Strahlung
des Lichtbogens bzw. der Anoden ausgesetzt. Der l'bergang der L ichtbogenwärine
auf die Kondensationswände hat aber zur Folge, claß zur Erzielung der für den vorgeschriebenen
Dampfdruck notwendigen Wandtemperatur eine verhältnismäßig große Kühlleistung aufgebracht
werden muß, cla von den Kondensationswänden einmal die Kondensationswärme des Ouecksilbers
selbst und dann aber auch noch zumindest ein Teil der Lichtbogenwärme abgeführt
werden muß. Die im Lichtbogen in Wärine umgesetzte Energiemenge ist aber etwa fünfmal
so groß als die Kon-. #,lensationswä rine. 'Wenn man nun gemäß der Erfindung die
Lichthogenwände von den Kondensationswänden bzw. den Kühlwänden durch eine Abschirmung
fernhält, .benötigt man zur Aufrechterhaltung der für den gewünschten Dampfdruck
erforderlichen Temperatur der Wandung einen wesentlich geringeren Kühlaufwand. Die
Kühlung braucht nunmehr- im wesentlichen nur noch entsprechend der abzuführenden,
im Vergleich zur Lichtbogenwärnie geringen Kondensationswärnie bemessen zu werden,
was weiterhin den Vorteil besitzt, daß man auch bei Eisengleichrichtern nicht mehr
unbedingt Flüssigkeitskühlung anwenden inuß, sondern auch schon finit Luftkühlung
auskommt.
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Auch die Lichthogenkainnier des Gei:iile: braucht infolge der eründungsgelnäßen
Ausbildung des Gefäßes nur noch schwach gekühlt zu «-erden, cla die diesen Raum
begrenzenden Wände ohne Schaden sehr heiß werden können, ohne daß dadurch der Gas-
oder Dampfdruck im Gefäß beeinflußt wirrt. Wesentlich ist hierbei, daß auch die
Elektrodeneinfiihrungen die hohen Temperaturelf auszuhalten vermögen, was durch
Verwendung von Metallkeramikverschmelzungen gewährleistet wird.
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Bildet inän noch die Kühlung so aus, @htl.l der obere Teil des Gefäßes
stärker als der untere Teil gekühlt wird, dann wird finit Sicherheit eine Kondensation
von nuecksililcr an den Anoden oder in deren \,ihe vermieden.
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Die erfindungsgemäße Ausführung. des (icfäßes kann mit besonderen
Vorteilen bei Entladungsapparaten mit von der @"al;tiunil)unilfe nach Anwendung
einer Entgasung bei, hoher Temperatur getrennten und mit einem clieinisch inaktiven
Gas gefüllten metallenen Vakuunigefäß angewendet werden. Bei Apparaten dieser Art
wird in das @-akuumg;ef<il:i ein besonderer, an einer Stelle offener Hohlkörper
eingesetzt. der den Sä hren#1 des Betrielles von der Kathode aufsteigciiden Gascder
Dampfstrom an den gekühlten Wandungen und dein Deckel der Haube entlang; fuhrt und
in dem sich das chemisch inaktive Gas allmählich mit zunehmender Erwärmung, de:
Gefäßes sammelt.
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Zur Kühlung kann erfindungsgemäß auch Luft verwendet werden, jedoch
kann in vielen Fällen auch ein flüssiges Kiihlinittel vorteilhaft sein. Im letzteren
Fall ist hei von der Vakuumpumpe abgeschmolzenem Gefäß) darauf zu achten, daß das
Kühlmittel wenig orler keine freien Wasserstoffionen enthält oder abgeben kann,
z. B. Chlorätlivlen, oder die mit der Kühlflüssigkeit in Berührung kommende Wandung
des Vakuumgefäßes aus einem ;Material hergestellt ist, «-elches keine freien Wasserstoffionen
aus der Kühlflüssigkeit aufnehmen kann.
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An Hand der beiliegenden "Zeichnung. in der als Ausführungsbeispiel
ein Quecksilberdampfgleichrichter dargestellt ist, soll die Erfindung näher erläutert
werden.
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i ist die Ouecksilberkathorle des Gefäße. 2 sind die Anoden, die von
mit seitlichen Ottnun,
-en 37 versehenen Anodenschutzhülsen 35 umgeben
sind. Vor den Anoden kann ein Gitter 3:4 vorgesehen sein. 3 sind die Einführungsisolatoren
für die Anoden und ¢ ist der Isolator .der Kathode; zweckmäßig werden Isolatoren
aus keramischem Material, insbesondere aus Steatit benutzt. Sämtliche Elektroden
werden von dem metallenen Boden 5 aus eingeführt. Zweckmäßig erfolgt die vakuumdichte
Verbindung zwischen den Einführungsisolatören 3 und d. und dem Boden 5 durch einen
Glas- oder Emailleschmelzfluß oder durch einen Brenn- oder Sinterprozeß. Auf den
Boden 5 ist die das eigentliche Vakuumgefäß bildende Metallhaube 6 aufgesetzt, welche
längs der Naht 7 mit dem Boden oder Teller 5 verschweißt ist. Das ganze Gefäß ruht
mittels Stützen 8, die in der Nähe der Schweißnaht 7 befestigt sind, auf einer Grundplatte
9, die ihrerseits auf der Erde aufliegen kann.
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Da die Kühlung bei dieser Ausführungsform durch Luft erfolgen soll,
ist über die Haube 6 eine weitere Haube io herübergestülpt, an deren oberem Ende
ein Schleuderlüfter mit dem Schleuderrad i i angeordnet ist. Dieses Schleuderrad
i i wird durch einen Motor 12 angetrieben und ist auf der Motorwelle fliegend angeordnet.
Die Luftführung ist in der Weise ausgebildet, daß das Schleuderrad i i Luft ansaugt.
Dies strömt dann am Deckel der Haube 6 und an den Wandungen in dein Ringraum zwischen
dem eigentlichen Vakuumgefäß und der Führungshaube io abwärts und tritt durch die
Öffnungen 13 am Unterteil der Haube io wieder aus. Falls Wert darauf gelegt wird,
eine stärkere Kühlung des Bodens 5 und der dort befindlichen Apparatteile zu erhalten,
können noch besondere Prall- oder Leitflächen 23 vorgesehen werden. Wie ohne weiteres
verständlich ist, wird durch diese Art der Luftführung sowie durch die Ausbildung
des Gefäßes erreicht, daß der obere Teil des Gefäßes ziemlich kühl bleibt, so daß
die Kondensation des Quecksilberdampfes einwandfrei vonstatten geht, während der
untere Teil des Gefäßes, in dem sich die Anoden befinden, relativ heiß wird.
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Der Motor 12, das Schleuderrad i i und die Kühlhaube i o können von
dem Gefäß 6 durch Stützisolatoren 1q. isoliert werden. Erdet man nun die Haube io,
so bildet .diese einen vollkommenen Berührungsschutz gegenüber dem Gehäuse 6 und
den durch den Bodens eingeführten Elektroden.
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Die Stromanschlüsse können in .dem Raum zwischen dem Boden 5 und der
Grundplatte 9 vorgenommen werden. Vorteilhaft verwendet man irgendeinen Kabelendverschluß
bekannter Ausführung, von welchem aus die Stromanschlüsse zu den einzelnen Elektroden
mit Hilfe biegsamer Verbindungsleitungen erfolgen.
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Falls das Vakuumgefäß von der Vakuumpumpe getrennt und gefüllt mit
chemisch inaktivem Gas, insbesondere Edelgas mit hohem Atomgewicht, betrieben werden
soll, wird in das Vakuumgefäß 6 ein hohler Einsatzkörper 16 eingesetzt. Dieser besteht
aus einem zylindrischen Mittelteil, einem nach unten konischen Boden 17 und einem
der Rundung des Gefäßes 6 angepaßten Deckel 18. Die Befestigung des Einsatzkörpers
in dem Gefäß 6 erfolgt mit Hilfe von Trägern i9, die sich gegen die Innenwand des
Gefäßes 6 abstützen.
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Am oberen Ende des im übrigen allseitig geschlossenen Hohlkörpers
16 ist eine Öff-
nung 2o vorgesehen, die durch einen Schirm 21 gegen heruntertropfendes
Quecksilber abgedeckt ist. Solange das Gefäß kalt ist, erfüllt das eingefüllte Edelgas,
dessen Druck bei kaltem Gefäß etwa o,o i bis o, i 5 mm-Quecksilbersäule betragen
soll, das ganze Gefäß. Während des Betriebes streicht nun der von der Kathode i
aufsteigende Ouecksilberdampfstrom, welcher mit Edelgas gemischt ist, infolge der
Führung durch den Einsatzkörper 16 an den zylindrischen Wandungen und dem Oberteil
der Haube 6 entlang. Da bei dieser erfindungsgemäßen Ausführung nicht nur die Wandungen,
sondern auch der Deckel des Vakuumgefäßes, der bei den bekannten Ausführungen die
Elektroden trägt, gekühlt wird, ist der Weg, den die Quecksilberdämpfe längs gekühlter
Wandungen zurücklegen, sehr lang, so daß das Ouecksilber kondensiert. Es fließt
dann im wesentlichen an den Wandungen des Gefäßes 6 entlang zurück zur Kathode,
während das nichtkondensierbare Edelgas durch die vor dem Eindringen von Quecksilber
geschützte Öffnung 2o in das Innere des Einsatzkörpers gedrängt wird, so daß nach
einer gewissen Betriebsdauer die Entladung in reinem Quecksilberdampf vor sich geht.
Dies hat den Vorteil, daß infolge der Anwesenheit von Edelgas auch bei kaltem Gefäß
der gewünschte Druck in dem Gefäß vorhanden ist, aber trotzdem bei heißem Gefäß,
wo der Quecksilberdampf den nötigen Druck liefert, von den im Verhältnis zu Edelgasen
günstigeren Betriebseigenschaften des Quecksilbers voll Gebrauch gemacht werden.
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Um eine Fortleitung der Elektrodenwärme nach dem oberen Teil der Haube
6 nach Möglichkeit zu verhindern und die Außenwandung des ringförmigen Spaltes 22,
der durch die Wandungen des Einsatzkörpers 16 und fies Vakuumgefäßes 6 gebildet
wird, möglichst ausschließlich für die Kondensation des Quecksilbers auszunutzen,
wird zweckmäßig der Boden 17 des Einsatzkörpers doppelt oder dreifach ausgeführt,
so daß die Übertragung
von Wärme durch Strahlung verhindert wird.
An Stelle einer mehrfachen Ausführung des Bodens kann selbstverständlich auch eine
andere geeignete Wärmeisolierung benutzt werden.