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Anodeneinführung für Glasstromrichtergefäße für hohe Spannungen und
mit Gas- oder Dampffüllung Die Erfindung betrifft einten Hochspannun:gsstromrichroer
mit Glasgefäß, insbesondere die Ausbildung der Anodeneinführung. Zweck der Erfindung
ist, eine erhöhte Rückzündungssicherheit des Stromrichters zu erzielen.
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Durch- entsprechende Bemessung der Abstände zwischen Anode und Kathode
unter Berücksichtigung des Paschenschen Gesetzes läßt es sich erreichen, daß auch
bei hohem Spannungen: in der Sperrphase zwischen Anode und Kathode nicht unmittelbar
eine Entladung übergehen; kann. Die Entladung besitzt aber auch noch längere Wege,
auf welchen eine ausreichende Ionisierung und damit eine Glimmentladung zustande
kommen kann, die gegebenenfalls in einen: Rückzündungsbogen übergeht. Insbesondere
kÖnnen die Ladungsträger den! Weg außen um -den Hauptentladungsraum zwischen Anode
und Kathode nach der Rückseite der Anode, besonders nach der Einschmelzung des Anodenstabes
nehmen. Diesel Stelle ,ist immer deshalb gefährlich, weil die zur Ausbildung einer
Rückzündung nötige lokale Erhitzung hier leicht zu einem Sprung im Glase führt und
damit zu einer Undichtngkeit des Rohres. Eine weitere Gefährdung des Rohres liegt
dann
vor, wenn: sich diese Stelle während der Durchlaßphase im Plasma befindet. Wegen
der geringen Glasleitfähigkeit bleiben aus der Durchlaßphase Ladungen bis in die
Sperrphase auf dem Glase und erzeugen dann ein so hohes Feld, daß Durchschläge oder
zumindest Elektrolyse stattfindet. Durch beide Erscheinungen werden aber Gase frei,
welche eine Glimmentladung und damit eine Rückzündung ermöglichen. Die Elektrolyse
ist an dieser Stelle meist noch durch. hohe Temperatur des. Glases begünstigt. Es
ist daher immer günstig, an der Einschmelzstelle des Anodenstabes Plasma, Feld und
Temperatur gering zu halten. Die- Maßnahme: der Wahl kleiner Abstände zwischen Kathode
und Anode bietet somit keime hinreichende Sicherheit gegen das Auftreten von Rückzündungen.
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Es ist zwar schon bekanntgeworden, bei Edelgasentladungszellen und
Alk.alikathoden tulpenförmige Glaskörper anzuordnen, welche die Anode bzw. ihre
Einsführung umschließen. Es handelt sich dabei jedoch um keine Hochspannungsstromrichtergefäße,
bei welchen auf besondere Spannungssicherheit zu sehen ist, sondern vielmehr darum,
die Ausbildung von Kurzschlüssen infolge der sich auf der Gefäßwand bildenden Alkalimetallüberzüge
zu vermeiden. Auch ist die Abstandsbemessung zwischen dem maßgebenden Teil nicht
im Sinne der Erfindung getroffen. Erfindungsgemäß ist in die Glas-,vand des Gefäßes
vakuumdicht ein tulpenförmiger Glaskörper derart eingesetzt, daß sein offenes Ende
in den Gefäßraum hineinragt und daß der Stromzuführungssta,b für die Anode, welcher
die Glastulpe vorzugsweise zentral in der Längsrichtung durchsetzt, in das abgeschlossene
Ende derselben eingeschmolzen ist und daß ferner der Abstand des freien Randes der
Glastulpe von den Anodenbolzen und der Anode so klein gewählt ist, daß eine Entladung
an dieser Stelle bei Betriebsdruck nicht möglich ist.
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Der an die Einschmelzstelle des Anodenstabes anschließende Teil der
Glastulpe besitzt etwa die Form einer Kugelschale und setzt sich in der Richtung
nach der Anode hin in einem rohrförmigen Glasteil fort. Die Anordnung ist vorzugsweise
so getroffen, daß die Glastulpe etwa mit ihrer halben Länge: in das Gefäßinnere
hineinragt und bis nahe an die Anode herarnreicht.
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In der Figur ist eine Anodeneinführung nach der Erfindung dargestellt.
Mit i ist die Kalthode bezeichnet., mit 2 die Anode, welche der Kathode in einem
verhältnismäßig geringen Abstand gegenübersteht und welche vorzugsweise derart ausgebildet
ist, daß sie den hinter ihr liegenden Gefäßraum gegenüber der Kathode abschirmt.
Die, Anode wird von dem Strotnzuführungsstab 3 getragen. Der Stab 3 ist in das abgeschlossene
Ende eines tulpenfärmigen Glaskärp,ers d. eingeschmolzen. In der Umgebung der Einschmelzstelle,
vorzugsweise bis zur Durchdringungslinie der Glastulpe q. mit der Gefäßwand 5 besitzt
der Glaskörper die Form einer Kugelschale. Der Offnungswinkel der Kugelschale, von
welchem die Spannungsverteilung längs der Glaswand im wesentlichen abhängig ist,
beträgt vorteilhafterweise 9o° oder mehr. Nach der Anode hin setzt sich die Kugelschale
in einem rohrförmigen Teil 6 fort, welcher ein wenig eingezogen isst und beispielsweise
die Form eines Kegelmantels besitzt. Der untere Teil 6 der Glastulpe wird! vorteilhafterweise
bis nahe an die Rückseite der Anode herangeführt, so daß sich zwischen dem Rand
der Glastulpe und der Anode nur ein schmaler ringförmiger Spalt befindet. Die Breite
dieses Spaltes soll zumindest kleiner sein als die freie Weglänge der Atome oder
Moleküle des Füllgases oder Dampfes vom gegebenen Druck. Sie wird damit auch kleiner
als die. kleinste freie Weglänge der Ladungsträger beider Vorzeichen des Füllgases
bzw. Fülldumpfes, z. B. Quecksilberdampfes, bei den vorkommenden Temperaturen. Auch
der Abstand zwischen der Innenfläche des Kegelmantels und dein Anodenstab wird wenigstens
am offenen Ende des Kegels in derselben Größe gewählt.
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Durch eine derartige Anordnung kann man die Rückzündungssich-erheit
des Gefäßes sehr erhöhen. Dies läßt sich in folgender Weise erklären: In der Sperrphase,
in welcher die volle Anodenspannung am Rohr liegt, tritt eine günstige Spannungsaufteilung
in der äußeren Glashülle ein. Faßt man den aus der Kugel herausragenden Teil des
tulpenförmigen Glaskörpers als Kugelabschnitt auf (dies wird auch im allgemeinen
wenigstens annähernd verwirklicht sein), so besteht die äußere Glashülle aus einer
Reihenschaltung zweier verschiedener Kugelhüllenabschnitte von gleicher Wandstärke,
aber verschiedenen Durchmessern und verschiedenen öffnungswinkeln. Der Widerstand
solcher Gebilde ist bei gleicher Wandstärke d und gleichem spezifischem Widerstand
T nur abhängig vom Öffnungswinkel und unabhängig vom Durchmesser der Kugeln. Für
den Widerstand gilt die Beziehung
wobei $1 und 82 die COffnungswinkel der die Kugelschalen begrenzenden Schnittkreiee@der
Kugel sind und d der Kugeldurchmesser ist.
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Daher liegt zwischen der Anode und der Durchdringung der Tulpe mit
der Gefäßwand ein relativ hoher Anteil der Gesamtspannung
am Rohr.
Direkte statische Messungen haben ergeben, d@aß dieser Anteil an der Gesamtspannung
etwa zwischen 30 und 70'10 liegt. Die Aufteilung der Gesamtspannung wird
man je nach den, vorliegenden Bedingungen für den Einzelfall wählen, jedoch
die- Beemessung vorteilhafterweise so treffen:, daß wenigstens 4o 1/9 der Gesamtspannung
auf den Weg zwischen der Anode und der Durchdringung des tulpenförmigen Glaskörpers
mit der Gefäßhülle entfallen.
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Innerhalb des tulpenförmigen Glaskörpers kann sich kein Plasma ausbilden,
da, wie erwähnt, der ringförmige Spalt zwischen dem Rand des Kegels und der Anode
so klein gewählt wird, daß Qüecksil:berdiampf kaum oder gar nicht in das Innere
des Kegelis gelangen kann. Eine Glimmentladung,, welche bei hinreichendem Dampfdruck
durch die: Sperrspannung möglich wird, hätte nun zurr Zündung innerhalb des Rohres
zwei mögliche Grenzwege. Der erste Weg ist der zwischen Anode und Kathode, welcher
aber sehr kurz ist und auf dem daher nach dem Paschens:chen Gesetz die Zündspannung
hoch ist. Eine geringere Zündspannung würde sich auf dem längeren Wege eines Meridianes
des Gefäßes ergeben, doch herrnscht auf diesem Wege bis dicht an die Anode heran
ein viel geringeres Potential. Versuche haben.: gezeigt, daß die Glimmentladung
wegen der Spannungsaufteilung in der Außenhülle des Rohres auf diesem Wege nicht
bis zur Anode hin sich ausbildet, sondern daß sie sichtbar an der Durchdr n:-gungslinie
zwischen Glasglocke und Gefäßwand endet. Dies hat seinem Grund darin, daß an der
Rückseite der Anode, w-e:lehe wenigstens zum Teil die Kathode abschirmt, von der
Brennphaise her nur eine sehr verdünntes Plasma vorhanden ist. An der Gefäßwand
hingegen ist durch die Gasbeladung der Wand durch den Pumpprozeß die Plasma bildeng
dort begünstigt. Ferner ist es auch möglich, daß sich infolge der Längen der Feldlinien
zwischen der Kathode und der Durchdringungsstelle nach dem Pasche:nschen Gesetz
eine niedrigere Zündspannung auf diesem Wege ergibt,: als auf dem Wege zwischen
der Kathode und der Oberseite der Anode, wo, infolge der kurzen Abstände keine.
Zündung zustande,- kommen kann, trotzdem hier eine höhere, Spannung herrscht. Man
kann jedenfalls die Aufteilung der Glaswand stets so beeinflussen, daß die Zündung
einer Glimmentladung erst bei viel höheren Gesamtspannungen stattfindet, als dies
ohne die beschrieben,- Aufteilung der Fall wäre.
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Es seient nun noch die Wege betrachtet, welche sich der Glimmentladung
von der Durchd.ringungs:stelle, der Gefäßwand zur Anode bieten. Der Weg über die
innere Oberfläche des tulpenförm äsen Glaskörpers wird deshalb nicht beschritten,
da innerhalb desselben eine sehr geringe Gasdichte herrscht. Auch der zweite Weg,
vom Rande des Kegelmantels zum Anodenstab oder zur Anode wird nicht beschritten,
da die Abstände dort sehr gering sind und demnach die Zündspan, nungen nach der
Paschienkurve sehr hoch sind:. Eine untere Grenze für die Bemessung der Abstände
ist dadurch gegeben, däß zwischen der Anode und dien Rande des Kegelmantels keine
Feldemission zustande kommen darf. Selbst bei sehr hohen Gesamtspannungen. läßt
sich- jedoch die Bemessung der Abstände immer so treffen, daß dies nicht der Fall
ist.
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Als dritter und letzter Weg bleibt schließlich nur mehr das Glas zwischen
der Durchdringungsstelle des tulpenförmigen Glaskörpers m.it der Gefäßwand und der
Einsch@melzung des Anodensta:hes. Diese Glasstrecke stellt einen hohen Widerstand
dar, der bei Betriebstemperatur eine Größe von beispi@eIs,vveise, r99 Ohm besitzt.
Sofern die übrigen Abmessungsbedingungen erfüllet werden, wird eine etwa an der
Durchdringung endende Gt.imm,entladung durch diesen Widerstand stabilisiert, so
daß sich keine Rückzündung ausbilden kann. Erst bei weiterer Erhöhung der Gesamtspannung
steigt das Feld zwischen der Anode bzw. ihrer Zuleitung und dem Kegelrand, so weit,
daß hier ein Durchschlag erfolgt. Die eigentliche: Einschmelzung der Anode bleibt
aber auch dabei geschützt, so daß durch die Rückzündung keine Zerstörung des Rohres
eintritt.
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Durch entsprechende Bemessung der Öffnungswinkel des kugelförmigen
Abschlußteiles des tulpenförmigen Glaskörpers und: des vorzugsweise etwa: kugelförmigen
Entladungsgefäßes läßt sich also bei richtiger Wahl der erwähnten Abstände zwischen
den Glasteilen. und der Anode sowie der Länge des Kegelmantels'eine weitgehende
Erhöhung der Rückzündungssicherheit -erzielen. Die Länget des in das Gefäßinnere!
ragenden Teils des tulpenförmigen Glaskörpers soll nicht zu gering, beispielsweise
doppelt so groß wie sein. mittlerer Durchmesser gewählt werden. Zur Vermeidung von
Elektrolyse ist es auch vorteilhaft, wenn die der Einschmelzstellie des Anodenstabes
benachbarten Teile möglichst kühl bleiben, was durch die beschriebene Ausführungsform.
weitgehend ermöglicht wird.
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Der Erfindungsgegenstand ist für verschiedene Arten von gas- oder
dampfgefüllten Entladungsröhren, insbesondere Gleichrichter und Stromtore, voiteilhaft
verwendbar.