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Flüssigkeitsgekühlter Vakuumentladungsapparat, z. B. Quecksilberdampfgleichrichter
Die Erfindung bezieht sich auf flüssigkeitsgekühlte Vakuumentladungsapparate, z.
B. Quecksilberdampfgleichrichter oder sonstige Stromrichter mit einem metallenen
Vakuumgefäß.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.