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Insbesondere durch einen Luftstrom gekühlter Vakuumentladungsapparat
mit Quecksilberkathode, Gas- oder Dampffüllung und metallenem Gefäß Zusatz zum Patent
324 9!32 Das Hauptpatent 72a.932 bezieht sich auf einen insbesondere durch einen
Luftstrom gekühlten Vakuumentladungsapparat mit U_uecksilberlmthode, Gas- oder Dampffüllung.
Gemäß dem Hauptpatent sind- bei einem solchen Vakuumentladungsapparat gleichzeitig
folgende Maßnahmen in Anwendung gebracht: erstens, daß der Dampfdruck zwischeneinigen
hundertsteln und einigen zehnteln Millimeter Quecksilbersäule. liegt, zweitens,
daß sämtliche Hauptelektroden und gegebenenfalls auch die Hilfselektroden vom Eioden
des Gefäßes aus eingeführt sind, und drittens, daß der untere, die Elektroden enthaltende
und als Entladungsraum dienende Teil dein Gefäßes gegen den oberen, als Kon densationsraum
dienenden Teil thermisch durch einen Einsatzkörper abgeschirmt ist.
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Die Zusatzerfindung betrifft eine vorteilhafte Weiterbildung des im
Hauptpatent offenbarten Gedank,°ens. Das metallene Gefäß, welches insbesondere aus
Eisen oder einer Eisenlegierung besteht und bei höheren Temperaturen (30o bis .10o°
C) entgast und von der Vakuumpumpe dauernd abgetrennt ist, wird mit einem Kühlmantel
umgeben, durch
den das Kühlmittel geleitet wird. Erfindungsgemäß
wird die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels längs der Lichtbogenkainmer geringer
gehalten als längs der Kondensationskammer.
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Es ist bekannt, daß bei Stromrichtergefäßen eine bestimmte obere Temperatur
der Wandungen an denen die Kondernsation des Quecksilberdampfes erfolgt, mit Rücksicht
auf die zulässige Dampfdichte in dem Gefäß nicht überschritten werden darf. Um eine
ausreichende Kondensation des Quecksilbers zu ermöglichen, werden deshalb die Wände
des Gefäßes gekühlt. Der Kühlmittelstrom hat dabei von den Wänden einmal die Kondensationswärme
des Quecksilberdampfes und ferner bei den bisher bekannten Eisengleichrichtern mit
nicht in besonderen Armen angeordneten Anoden die Lichtbogenwärme (Strahlungswärm;
derAnoden und Rekombinationswärme der Ionen) abzuführen. Die Kondensationswärme
entspricht dabei ungefähr einer Energiemenge von 3 - i VA, während die nur durch
die Entladung abgegebene Wärme einer Energiemenge von 15 # iVA entspricht
(i = Kathodenstrom). Die zur Konstanthaltung des Dampfdruckes erforderliche Kühlleistung
kann erheblich verringert werden, wenn das Stromrichtergefäß,wie im Hauptpatent
angegeben ist, in eine untere Lichtbogenka.rntner und einen oberen gegen die Lichtbogenkammer
abgeschirmten Kondensationsraum aufgeteilt wird. Auf diese Weise gelingt es, die
Entladungsstroinwärm-e von den Kondensationsflächen des Gefäßes fernzuhalten, so
daß hier nur noch die Kondensationswärme selbst abgeführt werden muß. Zur Kühlung
der Lichtbogenkammer isst jetzt nur noch wenig Energie notwendig, da die diesen
Raum begrenzen-. den Wände sehr heiß «erden können, ohne daß dadurch der Gas- oder
Dampfdruck beeinflußt wird. Letzterer wird ja einzig und allein durch die Temperatur
der Kondensationskammer bestimmt.
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Iki der Anordnung nach dem Hauptpatent ist das ganze zylindrisch ausgebildete
Gleichrichtergefäß von einem zylindrischen Kühlmantel umgeben, und der Kühlstrom,
insbesondere Luftstrom, ist im wesentlichen nur entsprechend der für den Kühlraum
vorgegebenen. Temperatur bemessen.
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Gemäß der Erfindung wird bei Anordnungen nach dem Hauptpatent eine
weitere Verringerung der erforderlichen Kühlleistung, insbesondere Lüfterleistung,
dadurch erzielt, daß längs den Mantelflächen der Lichtbogenkammer eine geringere
Geschwindigkeit des Kühlmittelstromes gewählt wird als längs der Kondensationskammer.
Das läßt sich dadurch erreichen, daß dem Kühlmantel bzw, deni Kühlkanal in der Höhe
der Lichtbogenka.mmer .ein größerer Querschnitt gegeben wird als in der Höhe des
Kondensationsraumes. Dadurch wird der Reibungswiderstand des Kühlmittelstromes bzw.
des Luftstromes in der Höhe der Lichtbogenkammer geringer und infolge c1@ess:n die
Lüfterleistung selbst kleiner.
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Bei Glasgleichrichtern mit angesetzten Anodenarmen ist es an sich
bekannt, insbesondere den eigentlichen Kühldom und die hnickstell:n der Arme mit
Preßluft besonders hoher Geschwindigkeit zu kühlen. Im Gegensatz hierzu handelt
es sich bei der vorliegenden Erfindung jedoch um einen hinsichtlich d:r Bauweise
von Glasgleichrichtern grundsätzlich verschiedenen Metallstromrichter, und zwar
um einen Metallstronirichter nach (lern Hauptpatent, bei dem der Entladungsraum
durch besondere Anordnung der Anoden ani Boden des Gefäßes vom Kondensationsraum
getrennt ist. Gerade erst diese Konstruktion erlaubt es aber, die erfindungsgemäße
besondere Luftkühlung auch bei Metallstromrichtern mit in einem zylindrischen Gefäß
angeordneten Anoden mit ganz besonderem Vorteil und hohem Wirkungsgrad anzuwenden.
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Vorzugsweise wird bei Kühlung mit Luft ein Axial- bzw. Schraubenlüfter,
insbesondere ein Axialhochdruckgebläse, verwendet, das zweckmäßig oberhalb des Gleichrichtergefäßes
angeordnet wird. Gegenüber den bisher in der Gleichrichtertechnik, insbesondere
bei Glasgleichrichtern, üblichen Fliehkraftlüftern hat der Schraubenlüfter deii
Vorteil eines günstigeren Wirkungsgrades. Der Lüfter wird zweckmäßig dicht oberhalb
des Kühldomes angebracht, und zwar vorzugsweise derart, daß der Luftstrom nicht
den oberen Teil des Domes bestreicht, sondern lediglich längs den -Mantelflächen
des Gefäßes strömt.
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Gemäß einem weiteren Erfindungsgedanken lassen sich ferner auch die
dynamischen Verluste des Kühlluftstromes ganz wesentlich verringern, indem dafür
Sorge getragen wird, daß sich Geschwindigkeitsänderungen des Luftstromes (Beschleunigungen
oder Verzögerungen), wie sie insbesondere bei Eintritt bzw. Austritt des Luftstromes
in bzw. aus dem den Kondensationsraum umgebenden engen Kühlspalt auftreten, nur
ganz allmählich und monoton vollziehen können. Das wird durch genügend langsame
Querschnittsänderungen des Luftquerschnittes erreicht. Die Ouerschnittsänderungen
müssen so allmählich ausgebildet werden, daß bei Querschnittserweiterungen (Verlangsamen
des Luftstromes) Wirbelbildungen und Stauungen und bei Querschnittsverengungen (Beschleunigen
des Luftstromes) zusätzliche örtliche Einschnürungen des Luftstromes vermieden «-erden.
Hierfür werden sich trichterartig
verengende oder sich trichterartig
erweiternde Kühlspalte (Einlaufrohre bzw. Diffusoren) vorgesehen. Der Öffnungswinkel,
insbesondere der Diffusoren beträgt vorteilhaft nicht mehr als 8 bis 1a°. Bei Einlaufrohren,
die ein Zunehmen der Geschwindigkeit des Luftstromes bewirken, kann der Öffnungswinkel
auch größer gewählt werden.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Kühlmantels gelingt es,
einen außerordentlich hohen- Prozentsatz, nämlich bis zu 85 % der kinetischen Energie
des Luftstromes (2 = Dichte und w - Geschwindigkeit der Luft) zurückzugewinnen.
Dadurch wird bei gleicher Kühlung eine wesentliche Verringerung der Lüfterleistung
ermöglicht.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung sind in den Zeichnungen zwei
Ausführungsbeispiele dargestellt.
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Abb. z und z beziehen sich auf einen luftgekühlten Eisenstromrichter
mit einem Axialgebläse; Abb. 3 zeigt einen Gleichrichter mit Fliehkraftlüfter.
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Der Stromrichter nach Abb. r besitzt ein im wesentlichen zylindrisches
Gefäß. Die Anoden, von denen nur eine in der Abbildung dargestellt ist, sind ebenso
wie die übrigen (nicht gezeichneten) Elektroden, z. B. die Gitter und die Erregeranoden,
von dem metallenen Boden. des Gefäßes aus eingeführt. Die Zahl der Erregeranoden
kann unter Umständen zweckmäßig gleich der Zahl der vorhandenen Hauptanoden gewählt
werden. Vorteilhaft werden die Erregeranoden dann innerhalb der An,odeinschutzrohre
oder doch zumindest von außen in diese hineinragend angeordnet. Die vakuumdichte
Verbindung zwischen den Elektroden und dem Gefäß erfolgt vorteilhaft über keramische
Einführungsisolatoren, die mit den Metallteilen mit oder ohne Verwendung eines Glas-,
Emaille-oder Metallschmelzfiusres derart verschmolzen werden, daß die Verschmelzungssteile
ohne weiteres das Gewicht der Elektrode selbst tragen kann. Die vorzugsweise aus
Graphit bestehenden Anoden sind in Anodenschutzrohren 3 angeordnet, in denen seitlich
(nicht dargestellte) Offnungen für den Lichtbogendurchtritt vorgesehen sind. Die
Anoden selbst sind von korbartigen Entionisierungsgittern.L, vorzugsweise aus Graphit,
umgeben, um eine gleichmäßige Verteilung der Entladung über die gesamte Anodenoberfläche
(Stirnflächen und Mantelflächen) zu gewährleisten.
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Durch die Anordnung der Anoden im unteren Teil des Gefäßes ergibt
sich dort eine Lichtbogenkammer. Der obere Teil dagegen dient als Kondensationsraum.
Um die Lichtbogenwärme von diesem Kondensationsraum möglichst fern zu halten, sind
Abschirmungen vorgesehen, die den Innenraum des Gefäßes im wesentlichen in zwei
Teil, teilen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß das Vakuumgefäß
nach Ausheizen bei Temperaturen von mehr als 25o11, vorzugsweise 3oo bis 4o0°, von
der Vakuumpumpe getrennt und außerdem mit einer Zusatzfüllung aus einem chemisch
inaktiven Gas, insbesondere Edelgas von hohem Atomgewicht (Krypton), versehen ist.
Der Druck dieser Füllung beträgt zwischen einigen hundertsteln und einigen zehnteln
Millimeter .Hg-Säule. Um ein. Zurück«-@eich,en des Edelgases bei Inbetriebnahme
des Gefäßes aus dem Entladungsraum bei Ansteigen des 0uecksilb:erdampfdruckes zu
ermöglichen, ist in das Vakuumgefäß ein hohler, oben offener und unten mit "einem
Diffusionsspalt versehener Einsatzkörper 5 vorgesehen. Der Boden 5' dieses Einsatzkörpers
dient gleichzeitig als thermische Abschirmung des Kondensationsraumes gegenüber
dem Lichtbogenraum und ist deshalb zwecjzmäßig als Mehrfachboden ausgebildet.
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Die Kondensation des Ouecksilberdampfes erfolgt im wesentlichen längs
den Wandteilen 6 bis zur Rille 16. Die Wandteile werden durch einen vom Lüfterrad
8 erzeugten Luftstrom gekühlt. Das ganze Gleeichrichtergefäß ist zu diesem Zweck
von einem Kühlmantel 7 umgeben, der in der Höbe der Kondensationskammer eine geringere
Weite besitzt als in der.Höhe der Lichtbogenkammer. Dadurch wird erreicht, daß die
Luftgeschwindigkeit längs den Wandungen des Lichtbogenraumes geringer ist als längs
den Kondensationswänden. Allerdings wird dadurch auch die Wandtemperatur des Lichtbogenraumes
höher, was aber ohne Bedeutung ist, da ja für den Dampfdruck des Gefäßes lediglich
die Temperatur der Kondensationswände 6 maßgebend ist. Die Temperatur der Kondensationswandungen
wird durch entsprechende Kühlung zweckmäßig auf 7o bis 9o11 eingestellt.
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Um ein Zurücklaufen des an den - Wandteilen 6 kondensierten O_uecksilbers
nach der Kathode zü erleichtern, ist an der Wandung eine ringförmige Rille rh angebracht,
die das Ouecksilber sammelt und über ein Rohr 17 zur Kathode zurückführt. Das Ouecksilber
kommt somit bei seinem Rückfließen zur Kathode praktisch nicht mit dem heißen Entladungsraum
in Berührung. Außerdem wird erreicht, da.ß nur reines Ouecksilber zur Kathode zurückfließt.
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Bei dem in Abb. r dargestellten Ausführungsbeispiel ist angenommen,
da.ß das oberhalb des Gleichrichtergefäßes angeordnete Lüfterrad 8 die Luft vom
Boden her, evtl.
aus einem unteren Stockwerk (Keller), ansaugt.
Die Luft streicht zuerst an der Kathode und den Kühlfahnen der Anode vorbei, kommt
dann in den ringförmigen Kühlkanal g am Lichtbogenraum, darauf in den engen Kanal
io am Kondensationsraum und schließlich über den Kanal i i in den Lüfter. Im Kanal
g findet infolge der allmählichen Querschnittsverringerung auch eine ganz allmähliche
Beschleunigung des Luftstromes statt. Im Kanal io hat der Luftstrom dann: seine
größte Geschwindigkeit und demgemäß auch eine außerordentlich gute Kühlwirkung.
Um die hohe kinetische Energie dieses Luftstromes zurückzugewinnen., ist der anschließende
Kanal i i im Sinne der Erfindung mit sich ganz allmählich erweiterndem Querschnitt,
d. h. als Diffusor, ausgebildet. In diesem Diffusor wird der Luftstrom allmählich
ohne Wirbelbildung und infolgedessen praktisch ohne Verluste auf die Geschwindigkeit
der Luft im Laufrad 8 verzögert. Der Öffnungswinkel des Diffusors i i beträgt vorzugsweise
etwa io°. Bei größerem Winkel besteht die Gefahr von Wirbelbildungen infolge Wandablösung
und entsprechenden Verlusten. Der auf Gefäßpotential befindliche Rohrteil i i' ist
durch ein Isolierstück 12 fortgesetzt.
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Der von dem Motor 13 angetriebene Lüfter 8 kann als Schraubenlüfter
oder auch als Fliehkraftlüfter ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung
eines Schraubenlüfters, insbesondere eines Axialgebläses mit hoher spezifischer
Druckziffer. Die aus dem Diffusor kommende Luft erfährt im Axiallüfter einen Drall,
d. h. eine Beschleunigung in Umfangsrichtung des Rades. Zur Rückgewinnung der Energie
des Dralles wird unmittelbar am Austritt des Luftstromes aus den Radischaufe:ln
ein Leitapparat vorgesehen, der bewirkt, daß die ausströmende Luft dieselbe Richtung
besitzt wie die in die Lüfteranordnung einströmende.
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In Abb. 2 ist die Bahn eines Luftteilchens in einem Axiallüfter schematisch
dargestellt. Lüfterrad 8 und Leitapparat 14 sind abgewickelt gezeichnet. Die Schaufeln
des Rades und die Leitflächen des Leitapparates erscheinen im Querschnitt. Das Lüfterrad
dreht sich in Richtung des doppelt gefiederten Pfeiles. Die einfach gefiederten
Pfeile stellen die Bahn eines Luftteilchens dar. Die einzelnen Kanäle des Leitapparates
sind Diffusoren, in denen die Energie des Dralles wieder zurückgewonnen wird. Der
Leitapparat selbst kann entweder, wie dargestellt, an der Austrittsstelle der Luft
aus dem Laufrad oder aber an der Eintrittsstelle angeordnet sein.
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Ist die Austrittsgeschwindigkeit der Luft aus der Lüfteranordnung
bzw. dem Leitapparat noch groß, so kann es vorteilhaft sein, auch hier noch einen
besonderen Diffusor zur Verzögerung der Luft vorzusehen.
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Um mit möglichst wenig Kühlluft auszukommen, ist es erforderlich,
die Geschwindigkeit der Luft verhältnismäßig hoch zu wählen, damit eine gute Kühlwirkung
erzielt werden kann. Es wird deshalb vorteilhaft als Lüfter, wie schon erwähnt,
ein spezifisches Hochdruckgebläse (mit hoher Druckziffer) gewählt, d. h. ein Gebläse,
bei dem das Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Nabe und dem Durchmesser des
ganzen Rades (Nabenverhältnis) verhältnismäßig groß ist. Zweckmäßig wird ein Nabenverhältnis
von etwa 0,5
oder größer, insbesondere größer als o,8, gewählt. Was den vom
Lüfter tatsächlich erzeugten Druck anbetrifft, so kommt man in vielen Fällen bereits
mit einem Lüfter aus, dessen Druck einer Wassersäule von 15 mm entspricht. In anderen
Fällen jedoch ist es vorteilhaft, höhere Drucke, vorzugsweise von 40 bis 5o mm Wassersäule,
zu wählen.
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Besonders vorteilhaft ist es ferner, insbesondere für große Metallgefäße,
an den Kühlflächen zumindest des Kondensationsraumes noch besondere Kühlrippen vorzusehen.
Dadurch wird die Kühlfläche vergrößert, und dementsprechend kann die Luftgeschwindigkeit
und damit die Umfangsgeschwindigkeit des Lüfters verringert werden, was sich wiederum
insofern günstig auswirkt, als dadurch auch der vom Lüfter erzeugte Lärm vermindert
wird.
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Anstatt wie bei dem in Abb. i dargestellten Ausführungsbeispiel die
Luft von unten nach oben anzusaugen, kann es häufig auch vorteilhaft sein, den Luftstrom
von oben nach unten verlaufen zu lassen. In diesem Falle würde dann der Ringkanal
i i als Einlaufrohr zur Beschleunigung der Luft nach dem Spalt io hin und der Kanal
g als Diffusor zur Verzögerung der Luft dienen. Unabhängig von der Richtung des
Luftstromes ist jedenfalls im Sinne der Erfindung zur Zurückgewinnung der kinetischen
Energie des Luftstromes jeweils an den Stellen, an denen eine Verzögerung des Luftstromes
stattfinden soll, ein Diffusor vorzusehen und an den Stellen, an denen eine Beschleunigung
erfolgen muß, ein sich trichterförmig verengendes Einlaufrohr anzuordnen.
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Verläuft der Luftstrom, wie dargestellt, im Kühlmantel des Gleichrichters
von unten nach oben, was im allgemeinen besonders vorteilhaft ist, da diese Strömungsrichtung
mit der natürlichen Strömung der Luft zusammenfällt, so kann der Lüftermotor 13,
wenn er am oberen Ende des Gleichrichters angeordnet ist, unter Umständen zu warm
werden, da er sich unmittelbar im warmen Luftstrom befindet. Es ist in diesem Falle
zweckmäßig, besondere
Kühlrohre 15, von denen eines dargestellt
ist, für den Motor vorzusehen, durch die dann von der Seite her Kühlluft in der
Richtung des eingezeichneten Pfeiles durch das Motorgehäuse hindurch angesaugt wird.
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Bei, der Gleichrichteranordnung nach Abb. 3 ist zur Kühlung des Gefäßes
i ein Fliehkraftlüfter, und zwar ebenfalls oberhalb des Gefäßes angeordnet, vorgesehen.
Die Kühlluft durchströmt hier in Richtung der Pfeile von oben nach unten den Kühlmantel.
Am oberen Teil des Gefäßes in der Höhe der Kondensationswände ist der Kühlkanal
io eng ausgebildet. Der Teil i1 mit sich verringerndem OOuerschnitt dient als Einlaufrohr
und der Teil 9 als Diffusor. Bei io ist die Luftgeschwindigkeit am größten. Im Diffusor
g wird die Luft verzögert, so daß ihre Austrittsgeschwindigkeit am. Kühlmantelende
nur noch sehr klein ist und demgemäß auch vom Lüfter nur wenig Leistung zur Kühlung
aufgewendet werden muß.
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Auch bei dieser Anordnung kann es vorteilhaft sein, die Strömungsrichtung
der Luft umzukehren und gegebenenfalls auch den Lüfter unterhalb des Gleichrichtergefäßes
anzuordnen. Die prinzipielle Wirkungsweise wird dadurch nicht geändert.
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Der erfindungsgemäß ausgebildete Gleichrichter eignet sich besonders
auch zur Verwendung als Freiluftgleichrichter. Zum Schutz gegen das. Eindringen.
von Regen in die Kühlkanäle ist es in diesem. Falle zweckmäßig, über der gesamten
Anordnung ein z. B. mit dem Kühlmantel selbst verbundenes konisches Dach od. dgl.
vorzusehen.
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Die Erfindung erlaubt es, auch. größere mehranodige Stromrichtergefäße
von 5oo bis iooo A und mehr durch Luft zu kühlen, was bisher wegen der erforderlichen
hohn Lüfterleistungen praktisch nicht möglich war.