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Elektrisches gas- oder dampfgefülltes Entladungsgefäß mit flüssiger
Kathode und einem Verankerungskörper für den Kathodenfleck Bei Metalldampfgleichrichtern
mit flüssiger Kathode spielt der vom Kathodenmaterial erzeugte Dampfdruck beim Betrieb
eine nicht unerhebliche Rolle. Um Rückzündungen oder andere unerwünschte Entladungen
zwischen einzelnen Elektroden zu vermeiden, sind Vorrichtungen zur Begrenzung des
Dampfdruckes auf den gewünschten Wert erforderlich. Bei Entladungsgefäßen, für große
Leistungen wird dies gewöhnlich durch einen großen: Kondensationsraum an irgendeiner
Stelle des Entladungsgefäßes oder durch Flüssigkeitskühlung eines großen Oberflächenteiles
der Gefäßwand erreicht. Durch die Anbringung eines Kondensationsraumes wird der
Gleichrichter groß und unhandlich, während bei Gleichrichtern mit flüssiger Kühlung
sowohl ein flüssiges Kühlmittel als auch verschiedene Vorrichtungen zur Zirkulation
des I#',-ühlmittels erforderlich sind.
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Es ist bereits bekannt, für den: Kathodenfleck Fixierungskörper innerhalb
des Quecksilbers vorzusehen und diese zu kühlen. Ferner ist es bekannt, diese Fixierungskörper
ring-,
spiralen- oder mäanderförmig auszubilden und gut wärmeleitend mit dem Boden des
Gefäßes zu verbinden. Bei allen diesen bekannten Fixierungskörpern soll der Kathodenfleck
möglichst in der Mitte der Kathodenoberfläche brennen und weitgehend von der Wandung
des Entladungsgefäßes ferngehalten werden. Um beim etwaigen. Abreißen des Kathodenflecks
vom Fixierungskörper ein Festsetzen an der Gefäßwandung zu verhindern, ist es bereits
bekannt, zusätzlich Schutzschirme aus Isoliermaterial in der Nähe der Gefäßwand
anzubringen.
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Gemäß der Erfindung ist bei dem Entladungsgefäß der Kathodenfleck
durch einen ringfärmigen Verankerungskörper, der nur durch einen engen Spalt von
der inneren Wandung des Entladungsgefäßes getrennt ist, in der Nähe der Gefäßwandung
fixiert. Dadurch wird durch einen einzigen Körper eine gute Wärmeableitung von dem
durch den Kathodenfleck erhitzten Teil erreicht und gleichzeitig das Überspringen
des Kathodenflecks auf die Gefäßwandung verhindert. Dabei dieser Anordnung nur ein
sehr enger Raum zwischen dem Verankerungskörper und der Gefäßwandung vorhanden ist,
findet die Wärme nur wenig Widerstand in dem schlecht wärmeleitenden Ouecksilber.
Vom wärmetechnischen Standpunkt aus wäre es am vorteilhaftesten, den Verankerungskörper
in direktem und innigem Kontakt mit der inneren Oberfläche der Gefäßwandung zu bringen.
Es ist jedoch schwierig, einen derartigen Kontakt ohne kleine Zwischenräume und
Lücken herzustellen. Diese Lücken können so, fein sein, daß in ihnen kein Kathodenmaterial
mehr vorhanden ist, so daß sich eine Isolierschicht bildet, die ein Ableiten der
Wärme verringert. Der Verankerungskörper ist daher in einem hinreichenden Abstand
von der inneren Wandung angebracht, so. daß eine dünne Ouecksilberschicht vorhanden
ist. Ein Zwischenraum von etwa 2,5 mm hat sich als genügend erwiesen. Bei einem
wesentlich kleineren Zwischenraum genügt die Oberflächenspannung des Quecksilbers,
eineFüllung des Zwischenraumes zu verhindern. Ein weiterer Vorteil dieses engen
Zwischenraumes zwischen dem Verankerungskörper und der Behälterwandung wird dadurch
erzielt, daß ein Überspringen des Kathodenflecks von dem Verankerungskörper auf
die Gefäßwandung vermieden wird in den Fällen, wenn: der Kathodenfleck von dem Z'erankerungskörper
abspringt; denn bekanntlich springt der Kathodenfleck nicht auf einen engen Raum
über, was darauf zurückzuführen ist, daß der enge Raum einen größeren Widerstand
aufweist und der Entladungsbogen somit beim Abspringen von dem Verankerungslcörp:er
die Entladungsspannung erhöhen würde, so daß im vorliegenden Fall der Kathodenfleck
nicht in den engen Raum springt und sich somit nicht an der Gefäßwandung festsetzt.
Ob nun der Verankerungskörper in direktem Kontakt mit der Gefäßwand steht oder einen
kleinen Zwischenraum aufweist, so ist nur ein kurzer Weg durch das Kathodenmaterial
zwischen der Ansatzstelle des Kathodenflecks und der die Hitze zerstreuenden :'orrichtung
vorhanden. Aus diesem Grund wird eine genügende und bessere Wärmeableitung und eine
genügende niedrige Kathodentemperatur durch die Verwendung von geeigneten Wärmeaustauschmitteln
bewirkt.
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Besonders vorteilhaft anwendbar ist die Anordnung nach der Erfindung
bei einem Gefäß mit mehreren Anoden, bei dem während des Betriebes der Kathodenfleck
fortdauernd erhalten bleibt. Bei einem derartigen Gefäß wird die Wanderung des Kathodenflecks
durch den Verankerungskörper auf einen Teil der Kathodenoberfläche begrenzt, obgleich
die Kathode in direktem Kontakt mit der metallischen Gefäßwand steht. Durch die
Erfindung wird also bewirkt, daß der Verankerungskörper ein Wandern des Kathodenflecks
zu den Wänden des Entladungsgefäßes verhindert.
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Die Abbildungen zeigen in zum Teil schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Abb. i zeigt ein erfindungsgemäßes Entladungsgefäß; Abb. 2 zeigt einen
Schnitt durch das Gefäß nach Ab.h. i an der Linie 2-2 und Abb. 3 einen Schnitt an
der Linie 3-3.
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Das Gefäß besteht aus einem Metallrohr io, beispielsweise aus nahtlosem
Stahl. Dieses Rohr, das zylindrisch dargestellt ist, aber auch andere Formen aufweisen
kann, ist an seinem oberen Ende durch den Metalldeckel i i geschlossen, der mehrere
Anoden 12, vorzugsweise aus Graphit, trägt. Ein Boden ist an dem unteren Ende der
Röhre angebracht und dient zur Aufnahme der Kathodenflüssigkeit.
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Jede Anode 12 ist von dem Gefäß durch einen röhrenförmigen Isolationsring
i< in das Gefäß über eine Stromzuführung 18 eingeführt. Um unerwünschte Entladungen
zwischen den Anoden zu vermeiden, sind die einzelnen Anoden durch zwischengefügte
Schirme 20 voneinander getrennt. Diese Abschirmung wird erhöht durch eine weitere
Wand 2i, die an den unteren Enden der Schirme 2o angebracht und mit Öffnungen 22
versehen ist, die im wesentlichen der Größe der einzelnen Anoden angepaßt sind.
Eine Anhäufung von kondensiertem Kathodenmaterial auf der Oberseite der Wand 2 1
wird -dadurch vermieden, daß die Wand zur Mitte
des Gefäßes hin
nach unten oder nach oben trichterförmig ausgebildet ist, so, daß das Kathodenmaterial
in der. Mitte oder an den Seiten zusammenläuft und durch die Öffnung 23 oder an
der Gefäßwandung in den Kathodenbehälter zurückfließt. Zur Befestigung der Schirme
untereinander und an die Wand 21 sind Winkeleisen 24 vorgesehen.
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Die Kathode des Entladungsgefäßes besteht aus Quecksilber oder einem
ähnlichen Material. Dieses Material kann den. ganzen Boden des Gefäßes bedecken,
so daß es von den Wänden des Metallzylinders io begrenzt ist. Es ist jedoch unter
Umständen vorteilhafter, den aktiven Kathodenteil in einem engeren becherförmigen
Metallbehälter 25 unterzubringen.
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Die Oberfläche des Kathodenmaterials während des Betriebes. ist durch
die gestrichelte Linie 26 angedeutet. Diese Oberfläche kann beispielsweise durch
eine Überlaufvorrichtung eingestellt werden, die aus einer engen Rohröffnung besteht,
die den gewünschten Abstand von dem Boden des Gefäßes aufweist und die mit dem Äußeren
des Gefäßes. durch das Rohr 28 in Verbindung steht. Während der Herstellung der
Röhre wird eine beliebige Menge des Kathodenmaterials durch das Rohr 28 in das Entladungsgefäß
eingeführt. Es fließt dann so. viel Material aus., wie es die Lage der Öffnung 27
zuläßt. Nach dem Füllen der Röhre wird das Rohr 28 abgedichtet. Um eine Beschädigung
der Öffnung 27 während des Betriebes zu vermeiden, ist es vorteilhaft, eine Schutzschicht
29, z. B. aus Glas, aufzutragen, die von dem Kathodenfleck nicht angegriffen wird.
Zur Zündung der Entladung ist eine Halbleiterelektrode 31 vorgesehen, die in ständigem
Kontakt mit dem Quecksilbermaterial steht und deren Stromzuführung 32 isoliert durch
die Kathode geführt ist. Die Elektrode 31 besteht vorteilhaft aus einem kurzen,
spitz zulaufenden Stab aus halbleitendem Material mit einem Widerstand zwischen
etwa io-2 und io-5 Ohm je Kubikzentimeter. Besonders geeignet als Material für diese
Elektrode ist Siliciumkarbid, das an der Oberfläche mit Eisennitrat überzogen ist.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Elektrode etwa i cm in das Kathodenmaterial
eintaucht. Es ist also ein Kathodenbad von beträchtlicher Tiefe erforderlich. Dagegen
ist bei Verwendung eines becherähnlichen Behälters 25, der einen bedeutend kleineren
Durchmesser aufweist als der Zylinder io, bedeutend weniger Ouecksilber erforderlich.
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Der Dampfdruck im Entladungsgefäß ist im wesentlichen von der Temperatur
abhängig, so daß es wichtig ist, auf die Verteilung oder Begrenzung der im Kathodenbad
entwickelten Wärme zu achten. Ein großer Teil der Wärme wird am Kathodenfleck erzeugt
und muß an ,qrster Stelle durch das Kathodenmaterial abgeleitet werden. Da das Kathodenmaterial,
z. B. Quecksilber, geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, ist diese Ableitung nicht
hinreichend. Es ist äußerst schwierig, die Wärme nur mittels umlaufender Kühlmittel,
die den Kathodentopf umgeben, genügend abzuleiten. Bei dem Entladungsgefäß nach
der Erfindung wird eine wirksame Kühlung durch Begrenzung des Kathodenflecks auf
einen Teil der Kathodenoberfläche bewiikt, der- nahe an die Wärmeaustauscher anliegt.
Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch einen ringförmigen Verankerungskörper 43,
der nur durch einen engen Spalt von der inneren Wandung des Entladungsgefäßes getrennt
ist und den Kathodenfleck nahe an den Innenwänden des Gefäßes 25 fixiert, und es
sind Vorrichtungen getroffen., die in. gutem Wärmeaustausch mit diesen Wänden stehen.
Durch diese Anordnung ist nur ein enger Raum zur Ableitung der Hitze durch das Kathodenmaterial
vorhanden. Die wärmezerstreuenden Mittel können verschiedene Formen aufweisen. In
der Abbildung ist ein Radiator dargestellt, der aus mehreren Metallfahnen 35 besteht,
die an dem Ringkörper 36 angebracht sind, der in gutem Wärmeaustausch mit den Außenwänden
des Behälters 25 steht. Der Radiator besteht aus einem gut wärmeleitenden Material,
z. B. Kupfer, und ist über eine Lotschicht 38 gut in wärmeleitendem Kontakt mit
dem Behälter 25. Dieses Lot kann um das Entladungsgefäß von unten herumgegossen
werden, während eine Dichtung 39 aus Asbest oder ähnlichem Material ein Entrinnen
des flüssigen Lotes während des Lötprozesses verhindert. Eine starke Platte 41 an
dem Boden des Behälters 25 aus gut wärmeleitendem Material, z. B. Kupfer, Aluminium
oder Aluminiumlegierungen, leitet die Wärme zu dem Radiator ab. Der Radiator und
die, ganze Anordnung kann durch einen Luftstrom vorzugsweise in axialer Richtung
von unten nach oben gekühlt werden. Diese Kühlwirkung kann erhöht werden, indem
das Entladungsgefäß mit einer Hülle umgeben wird, die den Luftstrom begrenzt und
durch Zugwirkung seine Geschwindigkeit steigert.
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Der Kathodenfleck wird auf einen Teil nahe der Kathodenoberfläche
durch die Verwendung der bekannten Verankerungskörper begrenzt. Als Verankerungskörper
ist ein Ring 43 vorgesehen, der in ständigem Kontakt mit dem Kathodenmaterial steht
und die Kathodenoberfläche überragt. Neben. anderen Materialien eignen sich insbesondere
widerstandsfähige Metalle, z. B. Molybdän, die in einem Säurebad und durch Erhitzen
in Wasser-
Stoff vollständig gereinigt sind. Der Kathodenfleck erscheint
dann als feine Linie längs der Berührungslinie zwischen dem Verankerungs körper
und dem Kathodenmaterial; die Länge dieses linienförmigen Kathodenflecks hängt von
der Größe des Stromes ab. Bei großen Strömen ist es unter Umständen vorteilhaft,
zusätzliche Teile 45 aus geeignetem Material an dem Ring 43 anzubringen. In der
Abbildung sind diese Körper als radiale, nach innen gerichtete Fahnen an dem Umfang
des. Ringes 43 befestigt.
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In dem Entladungsraum oberhalb der Kathode in der Nähe der Anoden
12 wird aber auch stets Wärme erzeugt, die über die Metallwände zum Kathodenmaterial
abfließt. Durch einen relativ großen Raum zwischen dem Anodenraum und dem Kathodenbehälter
25 wird jedoch dieser Wärmezufluß zum Kathodenmaterial vermindert. Ein Teil dieses
Raumes wird durch eine Ringscheibe 47, die die Wand io mit dem Behälter 25 verbindet,
abgeschlossen. Diese Ringscheibe besteht aus einem wesentlich dünneren Metall als
die Hauptwand und behindert somit den Wärmeabfluß zur Kathode. Es ist in einigen
Fällen unter Umständen vorteilhaft, diese Behinderung des Wärmeabflusses durch die
Ringwandung 47 durch die Wahl eines Metalls, z. B. Chromeisen, zu unterstützen,
das eine kleinere Wärmeleitfähigkeit aufweist als die Hauptwandung. Der Gefäßraum
zwischen der Wandung 2 1 und der Ringscheibe 47 ist vorteilhaft bedeutend größer,
als es zur Verminderung des, Wärmeabflusses von den Wänden in der Nähe des Anodenraumes
zur Kathode erforderlich wäre. Durch diesen größeren Zwischenraum bleibt die Wandung
kühler, so daß das ausgespritzte Kathodematerial weniger leicht verdampft. Es wird
somit der Betrag des durch das ausgespritzte Kathodenmaterial erzeugten Dampfes.
auf einen geringen Wert gehalten.