DE727096C - Fluessigkeitsgekuehlter Vakuumentladungsapparat, z. B. Quecksilberdampfgleichrichter - Google Patents

Fluessigkeitsgekuehlter Vakuumentladungsapparat, z. B. Quecksilberdampfgleichrichter

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DE727096C DEL78855D DEL0078855D DE727096C DE 727096 C DE727096 C DE 727096C DE L78855 D DEL78855 D DE L78855D DE L0078855 D DEL0078855 D DE L0078855D DE 727096 C DE727096 C DE 727096C
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J7/00Details not provided for in the preceding groups and common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J7/24Cooling arrangements; Heating arrangements; Means for circulating gas or vapour within the discharge space
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Description

  • Flüssigkeitsgekühlter Vakuumentladungsapparat, z. B. Quecksilberdampfgleichrichter Die Erfindung bezieht sich auf flüssigkeitsgekühlte Vakuumentladungsapparate, z. B. Quecksilberdampfgleichrichter oder sonstige Stromrichter mit einem metallenen Vakuumgefäß.
  • Es ist seit langem ein Wunsch der Technik, derartige Entladungsapparate mit Metallgefäß ebenso wie Entladungsapparate mit Glasgefäß ohne Anschluß an eine Pumpen--anlage dauernd betreiben. zu können, da die Pumpenanlage die Herstellungskosten des ganzen Apparates zvesentlicb erhöht und die Vakuuxrihaltung den Betrieb vertPuert.
  • Versuche, pumpen löst Entladungsapparate mit. Metallgefäß zu. bauen; sind lange daran ge-cheitert, daß .es nicht möglich war, größere Metailgef'äße herzustellen, die für praktisch: unbegrenzte Zeit absolut hochvakuumdicht sind. Nachdem: es nun durch verfeinerte Prüf- und Hemtellungsverfahren in neuerer. Zeit gehtngen war; absolut hochvakuumdichte Gefäße, d. h. vollkommen poren- und rissefreie Gefäße; zu bauen, glaubte man, diese ohne weiteres ohne.Anschluß an eine Vakuumpumpe benutzen zu können. Die durchgeführten Versuehe zeigten aber überraschenderweise; daß: auch absolut hochvakuumdichte Gefäße nach. einer gewissen Betriebszeit eine erhebliche Vakuumverschlechterung. aufweisen, welche einen pumpenlosen Dauerbetrieb unmöglich machte. Bei den von dem Erfinder vorgenommenen umfangreichen Untersuchungen stellte sich nun heraus, daß die die Vakuumverschlechterung trotz vollkommener Dichtigkeit der Gefäßwandungenverursachenden Gase so gut wie ausschließlich aus Wasserstoff bestehen, und daß dieser Wasserstoff aus dem in üblicher Weise zur Kühlung benutzten Kühlwasser stammt. Der Vorgang ist hierbei folgender: Im Kühlwasser ist mit steigender Temperatur ein zunehmender Gehalt an freien Wasserstoffionen vorhanden: Das Wasser wird bis zu einem gewissen Grade in H- und OH--Ionen dissoziiert. Die H-Ionen haben nun die Fähigkeit, bei den in Frage kommenden Betriebstemperaturen durch Eisen, Stahl und die meisten technischen Eisenlegierüngen hindurchzudiffundieren und als Wasserstoffgas aus den Wandungen in das Vakuum austreten zu können. Diese allmähliche Verschlechterung des Vakuums machte es, wie bereits erwähnt, bisher unmöglich, Vakuumentladungsapparate mit Metallgefäß dauernd ohne Pumpe zu betreiben, auch wenn- das Vakuumgefäß an sich absolut hochvakuumdicht ist. Eine.Vakuumverschlechterung hat nämlich unter anderem Rückzündungen zur Folge. Diese Rückzündungen treten um so häufiger auf, je höher die Temperatur des Gefäßes ist und je länger der Apparat ohne Unterbrechung betrieben wird. Betriebsdauer und steigende Temperatur wirken hierbei im gleichen Sinne und haben im Innern der Wandteile des Apparates eine Wasserstoffanreicherung zur Folge. Eine merkliche Verschlechterung des \Takuums braucht hiermit nicht verbunden zu sein, solange die elektrische Entladung im Apparat besteht, da der in das Vakuum austretende Wasserstoff durch die Entladung ionisiert und wieder in die Wandungen zurückgetrieben wird, aber diese Beteiligung der Entladung hat zur Folge, daß nicht nur die vom Kühlwasser bespülten Wandteile, sondern alle an das Vakuum angrenzenden Teile, z. B. die Elektroden, mit Wasserstoff aufgeladen werden. Sobald nun die elektrische Entladung kurzzeitig aussetzt:. entsteht eine plötzliche Verschlechterung des Vakuums. An dieser plötzlichen Verschlechterung sind vor allem die heißen Metallteile, vorwiegend die Anoden, beteiligt, da der Wasserstoff von Metallen in das Vakuum um so leichter und rascher abgegeben wird, -je höher die Temperatur dieser Metalle ist. Bei längerem Betrieb mit Vollast kann die Aufladung mit Wasserstoff so hoch ansteigen, daß schließlich sogar während des Sperrintervalles einer Anode eine erhebliche Menge Wasserstoff aus der Anode austritt und durch plötzliche. Verschlechterung des Vakuums in der Umgebung der Anoden Rückzündungen hervorruft. Bekanntlich ist die Vermeidung des Auftretens solcher Störungen eins der Hauptprobleme beim Bau von Vakuumentladungsapparaten.
  • Gemäß der Erfindung wird nun in Ausnutzung der vorstehend erläuterten physikalischen Erkenntnisse ein pumpenloser Dauerbetrieb dadurch ermöglicht, daß bei Verwendung eines hochvakuumdichten Gefäßes, das aus einem Metall besteht, welches wie Eisen oder Eisenlegierungen aus Wasser Wasserstoffionen aufnimmt, dieses Gefäß bei hohen Temperaturen entgast und dann von der Pumpe dauernd getrennt worden ist, und zur Verhinderung der Bildung einer Wasserstoffaufladung im Innern des Gefäßes infolge Eindringens von freienS@Iasserstoffionen aus der Kühlflüssigkeit und einer sich hieraus ergebenden, den Betrieb gefährdenden Vakuumverschlechterung die Kühlflüssigkeit aus einer praktisch wasserstoffionenfreien bzw. nichtabgebenden Flüssigkeit besteht.
  • Die Bildung einer Wasserstoffaufladung im InnP,rn des Gefäßes infolge Eindringens von freien Wasserstoffionen aus der Kühlflüssigkeit und die sich hieraus ergebende, den Betrieb gefährdende Vakuumverschlechterung kann auch dadurch verhindert werden, daB eine zusammenhängende Schicht aus einem Wasserstoffionen nichtaufnehmenden Material zwischen dem Vakuumgefäß und der Kühlflüssigkeit vorgesehen wird, wobei diese Schicht auch die Gefäßwandung selbst bilden kann. Welche der in Frage kommenden Maßnahmen angewendet wird, wird durch die technischen Verhältnisse des speziellen Falles bestimmt. Maßgebend sind natürlich auch die Kosten für das Gefäßmaterial.
  • Als Kühlflüssigkeiten, die keine freien Wasserstoffionen enthalten, kommen Schwefelkohlenstoff, Toluol, Benzol, Xylol, säurefreies öl und andere mehr in Frage, vorzugsw eise Flüssigkeiten mit kleiner Dielektrizitätskonstante. ,Für die engere Wahl; der Flüssigkeit ist die Art der Kühlung maßgebend. Je nachdem es sich um eine Kühlung mit forciertem Umlauf, mit freier Konvektion oder mit siedender Flüssigkeit handelt, wird die Wahl in einer dem Fachmann bekannten Weise verschieden getroffen werden müssen, um die gewünschte Kühlwirkung zu erzielen. Anstatt eine ihrer Natur nach praktisch wasserstof:ionenfreie Flüssigkeit zuverwenden,kann man auch Wasser als Kühlmittel benutzen, dessen Wasserstoffionengehalt durch entsprechende, später näher erläuterte Zusätze genügend herabgesetzt ist.
  • Verwendet man solche, wenig oder keine freien Wasserstoffionen enthaltenden Kühlflüssigkeiten, kann man Werkstoffe für die Gefäßwände benutzen, die an sich in der Lage sind, Wasserstoffionen aufzunehmen.
  • Als Materialien, die bei der Berührung mit dem Kühlwasser nicht oder nur in sehr geringem Maße Wasserstoffionen aufnehmen, kommen für die flüssigkeitsgekühlten Wandteile z. B. Zink, Aluminium und Chrom in Betracht, auch Eisen kann verwendet werden, wenn es mit einem genügend hohen Prozentsatz eines oder mehrerer dieser Metalle legiert ist. Versuche haben ergeben, daB bereits ein Zusatz von i % Chrom die Aufnahmefähigkeit der Wandungen im Vergleich zu reinem Eisen auf etwa 1/1oo herabsetzt.
  • Es war schon bekannt, Vakuumentladungsgefäße aus Chromeisen mit Rücksicht auf seine Verschmelzbarkeit mit Glas und seine Porenfreiheit herzustellen, jedoch waren diese Gefäße nicht für Flüssigkeitskühlung vorgesehen, so daß das der Erfindung zugrundeliegende Problem bei den bekannten Gefäßen nicht auftrat.
  • Anstatt die mit dem Kühlwasser in Berührung kommenden Wandungen aus den genannten Materialien herzustellen, kann man auch die Wandungen mit Schutzüberzügen versehen, die aus dem Kühlmittel Wasserstoffi ®tten nicht oder mir in sehr geringem, Umfange aufnehmen können.
  • Für die Ausführung der mit dem Kühlmittel in Berübrung kommenden Schicht ist riech zu beachten, daß die von dem Erfinder angestellten Versuche weiterhin ergeben haben, daß die Fähigkeit eines Wandungsmaterials, freie Wasserstoffionen aus' einem Kühlmittel, z. B. Wasser, aufzunehmen, durch Vorgänge in der Grenzfläche zwischen dem Wasser und dem Metall bestimmt wird. Auch im Innern von - sogenannten nichtaufnahmefähigen Metallen, wie Zink, können Wasserstoffionen wandern, wenn sie auf forcierte Weise, z. B. durch Ionisation des Wasserstoffs in einer Gasentladung, hereingebracht werden; aus dem Wasser aber können solche Metalle ohne Anwendung zusätzlicher elektrischer Energie keinen Wasserstoff aufnehinen. Dies hat den Vorteil, daß im Innern des Gefäßes etwa vorhandener Wasserstoff. allmählich durch die Wandungen des Gefäßes herausgetrieben wird, während neuer nicht eindringen kann. Ohne Zweifel sind es elektrolytische Vorgänge in der Grenzfläche, welche die Aufnahme des Wasserstoffs in das Innere des Metalls zur Folge haben. Diese Ansicht wird auch dadurch bestätigt, daß an sich wenig aufnahmefähiges Metall, wie Kupfer, eine beträchtliche Aufnahmefähigkeit zeigt, sobald seine äußere Oberfläche nicht hinreichend rein ist. Hieraus ergibt sich, daß Unreinigkeiten der äußeren Oberfläche, die eine erhöhte- Aufnahmefähigkeit für Wassers' öff zur Folge haben, zu vermeiden sind.
  • Es ist an sich bereits bekannt, zur Kühlung des in üblicher Weise an eine Vakuumpumpe angeschlossenen Metallgefäßes eines Vakuumentladungsapparates Öl, das im wesentlichen wasserstoffionenfrei ist, zu verwenden. Die Verwendung von Öl ist hier aber nur aus isolationstechnischen Gründen erfolgt. jedenfalls geben die bekannten Ausführungen dem Fachmann keinen Anhalt dafür, daß durch die Verwendung einer wasserstoffionenfreien Flüssigkeit in Verbindung mit einem hochvakuumdichten Gefäß ein pumpenloser Dauerbetrieb eines Vakuumentladungsapparates möglich wird.
  • Weiterhin ist es bekannt, an der Innenseite von metallenen Vakuumgefäßen Schutzschichten, anzubringen. Derartige, an der Innenseite des Gefäßes angebrachte Überzüge sind aber, gleichgültig aus welchem Material sie bestehen, nicht in der Lage, das Eindringen von Wasserstoffionen in das Gefäßinnere zu verhindern. Der Zweck dieser Schutzüberzüge bei den bekannten Ausführungen ist auch nicht, eiil Eindringen von Wasserstoffionen zu verhindern, sondern sie sollen die Gefäßwandungen gegen den Einfluß des Quecksilberdampfes schützen. Abgesehen hiervon hat man bisher solche Überzüge nur bei an eine Vakuumpumpe angeschlossenen Gefäßen verwendet.
  • Um chemische Umsetzungen der Kiihlflüssigkeit zu vermeiden, welche die Bildung freier Wasserstoffionen zur Folge- haben können; empfiehlt es sich, von der KühJ.flüssigkeit chemisch mit ihr reagierende Stoffe ternzuhalten. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, die Kühlflüssigkeit gegen die Atmosphäre dauernd dicht oder vakuumdicht ab" zuschließen. Außerdem kann man besondere Mittel vorsehen, um freie Wasserstoffionen enthaltende Verunreinigungen zu absorbieren; z. B. ist es immer möglich, aus der Kühlflüssigkeit Wasser durch Trockenmittel, z.13. Phosphorpentoxyd, zu entfernen.
  • Die Herabsetzung des Wasserstoffionengehalts kann auch dadurch erfolgen, daß -durch Zusatz von Basen zum Wasser der Wasserstoffionengehalt des Wassers stark reduziert wird. Es ist auf diesem Va'ege möglich, die durch., eine Wand hindurchdiffundierende Menge Wasserstoff, auf 111"0, und weniger herabzumindern. Dieses Verfahren empfiehlt sich vor allem bei bereits bestehenden Anlagen, die mit Wasserkühlung und Rückkühlanlage arbeiten. Es genügt hier, dem Kühlwasser Kali oder Natronlauge zuzusetzen, um bereits eine äußerst starke Drosselung der Wasserstoffionenzufuhr zu bewirken. Durch eine einfache Rechnung kann festgestellt werden, in welcher Menge die Basen zugesetzt werden müssen, um eine bestimmte Konzentrationsverminderung zu erreichen; beispielsweise ist in einer wässerigen Lösung von einem Mal. Na ® H pro Liter die Wasserstoffionenkonzentration etwa io' mal kleiner als in reinem Wasser mit derselben Temperatur.
  • Von besonderem Vorteil ist der Zusatz von Ammoniak, weil dann nirgends reines. Wasser kondensieren kann, sondern dieses sich sofort mit dem im Gasraume stets vorhandenen Ammoniak anreichert.
  • Die dritte bereits erwähnte Gruppe von Maßnahmen besteht darin, Saß zwar die Wandungen des Vakuumgefäßes aus einem Werkstoff, wie Eisen oder Stahl, bestehen der beim Eintauchen in Wasser Wasserstoffionen aufnimmt, aber die Kühlflüssigkeit in besonderen Räumen umläuft, deren Wandungen, soweit sie mit den Wandungen des Vakuumgefäßes zwecks Erzielung eines guten Wärmeübergangs in innigem metallischen Kontakt stehen, aus der Kühlflüssigkeit Wasserstoffionen nur in genügend verringertem Maße oder gar nicht aufnehmen. können. Unter innigem metallischen Kontakt ist hierbei jede unlösbare, metallische Ver- Bindung, wie Schweißen oder Löten, zu verstehen. Es hat sich nämlich gezeigt, daß der Wasserstoff über eine derartige Verbindung hinüberdiffundiert und sich über weite Strekken zusammenhängender Metallteile fortpflanzt.
  • Die besonderen Räume für die Kühlflüssigl:eit.können aus einem Werkstoff, wie Aluminium, Zink oder Chrom, bestehen, der keine Wasserstoffionen aufnimmt. Man kann z. B. Rohrschlangen mit Rohren aus Zink, Aluminium oder Chrom anwenden.
  • Eine weitere Ausführungsmöglichkeit besteht darin, die Wandungen der Kühlräume, soweit sie mit den Wandungen des Vakuumgefäßes in innigem metallischen Kontakt stehen, auf der Seite der Kühlflüssigkeit mit einem vakuumdichten Überzug aus einem Stoft, wie Aluminium, Zink, Chrom, Email, Lack usw., zu versehen, der aus der Kühlflüssigkeit keine Wasserstoffionen aufnimmt.
  • Es sei hierbei darauf hingewiesen, daß die zum Rostschutz üblichen Überzüge in keiner Weise vakuumdicht sind. Zum Beispiel sind gespritztverzinkte oder in üblicher Weise feuerverzinkte Überzüge derart undicht, daß sie für die vorliegenden Zwecke unbrauchbar sind. Verhältnismäßig am dichtesten sind galvanisch verzinkte Überzüge, doch auch diese müssen mit einer Sorgfalt hergestellt werden, die für den Rostschutz nicht nötig ist und auch nicht angewendet wird.

Claims (7)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Flüssigkeitsgekühlter Vakuumentladungsapparat, z. B. Quecksilberdampfgleichrichter, mit einem hochvakuumdichten, metallenen Vakuumgefäß, das aus einem Metall besteht, welches wie Eisen oder Eisenlegierungen aus Wasser Wasserstoffionen aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß bei hohen Temperaturen entgast und dann von der Pumpe dauernd getrennt worden ist und daß zur Verhinderung der Bildung einer Wasserstoffaufladung im Innern des Gefäßes infolge Eindringens von freien Wasserstoffionen aus der Kühlflüssigkeit und einer sich hieraus ergebenden, den Betrieb gefährdenden Vakuumverschlechterung die Kühlflüssigkeit aus einer praktisch wasserstoffionenfreien bzw. nichtabgebenden Flüssigkeit besteht.
  2. 2. Flüssigkeitsgekühlter Vakuumentladungsapparat, z. B. Quecksilberdampfgleichrichter, mit einem hochvakuumdichten, metallenen Vakuumgefäß, das aus mehreren hochvakuumdicht fest miteinander verbundenen, metallenen Wandteilen aus einem Metall besteht, welches wie Eisen oder Eisenlegierungen aus Wasser Wasserstoffionen aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß bei hohen Temperaturen entgast und dann von der Pumpe dauernd getrennt worden ist und daß zur Verhinderung der Bildung einer Wasserstoffaufladung iin Innern des Gefäßes infolge Eindringens von freien Wasserstoffionen aus der Kühlflüssigkeit und einer sich hieraus ergebenden, den Betrieb gefährdenden Vakuumverschlechterung eine zusammenhängende Schicht aus einem Wasserstoffionen nichtaufnehmenden Material zwischen dein Vakuumgefäß und der Kühlflüssigkeit vorgesehen ist, wobei diese Schicht auch die Gefäßwand selbst bilden kann.
  3. 3. Vakuumentladungsapparat nach Anspruch i, bei dem die mit der Kühlflüssigkeit in Berührung kommenden Wandteile aus einem Wasserstoffionen aufnehmenden Material bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß als wasserstoffionenfreie Kühlflüssigkeit Stoffe, wie Schwefelkohlenstoff, Toluol, Benzol, Xylol, säurefreies Öl, vorzugsweise eine Flüssigkeit mit kleiner Dielektrizitätskonstante verwendet werden. q..
  4. Vakuumentladungsapparat nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß von der Kühlflüssigkeit chemisch mit ihr reagierende Stoffe ferngehalten sind.
  5. 5. _ Vakuumentladungsapparat nach Anspruch i undjoder f., dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit gegen die Einwirkungen der Atmosphäre dauernd vakuumdicht abgeschlossen ist.
  6. 6. Verfahren zur Herabsetzung des Wasserstoffionengehalts in Kühlflüssigkeiten für Vakuumentladungsapparate nach Anspruch i und/oder q., 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Kühlflüssigkeit Substanzen, z. B. Phosphorpentoxyd, in Verbindung gebracht werden, welche Verunreinigungen der Kühlflüssigkeit, die freie Wasserstoffionen enthalten, absorbieren.
  7. 7. Verfahren zur Herabsetzung des Wasserstoffionengehalts in Kühlmitteln für Vakuumentladungsapparate nach Anspruch r, dadurch gekennzeichnet, daß dem als Kühlmittel benutzten Wasser Basen, z. B. Kali- oder Natronlauge, zugesetzt werden, die die Wasserstofionenkonzentration des Wassers herabsetzen. B. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kühlwasser Ammoniak zugesetzt wird. g. Vakuumentladungsapparat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den Umlauf des Kühlmittels besondere Räume vorgesehen sind, deren mit den Wandungen des Entladungsgefäßes in innigem metallischen Kontakt stehende Teile Wasserstoffionen aus . dem Kühlmittel nicht oder nur in verringertem Maße aufnehmen. io. Vakuumentladungsapparat nach Anspruch g, dadurch gekennzeichnet, daß für das Kühlmittel Rohre vorgesehen sind, die aus einem Material, wie Aluminium, Zink; Chrom oder einer Eisenlegierung, mit einem genügenden Gehalt an einem oder mehreren dieser Metalle bestehen, das aus dem Kühlmittel Wasserstoffionen nicht oder nur in verringertem Maße aufnehmen kann. i i. Vakuumentladungsapparat nach Anspruch io, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandteile der Kühlräume, die an den Wandungen des Vakuumgefäßes anliegen, mit einem Überzug aus einem Werkstoff, wie Aluminium, Zink, Chrom, Email, Lack usw., versehen sind, welcher derart vakuumdicht ausgeführt ist, daß das Überzugsmaterial aus dem Kühlmittel Wasserstoffionen nicht oder nur in verringertem Maße aufnehmen kann.
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