DE967138C - Stromdurchfuehrung fuer Vakuum-Glueh- und Schmelzoefen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Stromdurchführungen für elektrische Entladungsgefäße, insbesondere für Glüh- und Schmelzöfen zur Durchführung von Glimmentladungsprozessen in einer Unterdruckatmosphäre.

Bei derartigen Stromdurchführungen ist ein konzentrisch angeordneter, von den Wandungen des Entladungsgefäßes isolierter metallischer Innenleiter vorhanden, der in den Unterdruckraum hineinragt. Die Stromdurchführung muß dabei derart ausgebildet sein, daß an dem in den Unterdruckraum hineinragenden spannungführenden Innenleit das Auftreten einer elektrischen Glimmentladung möglichst erschwert wird, vor allem an jener Stelle, an welcher der Innenleiter den ihn umschließenden Isolator berührt. Diese Berührungsstelle Isolator—Metall ist gegen die zerstörende Wirkung von Glimmentladungen und der im Entladungsgefäß vorhandenen Ladungsträger und Metalldämpfe bekanntlich empfindlich.

Ein bekanntes Mittel zur Erschwerung einer Glimmentladung an einer in ein Entladungsgefäß ragenden Elektrode besteht in einem die Elektrode umschließenden Schutzrohr. Beispielsweise wurde im deutschen Patent 487 192 vorgeschlagen, in einem Großgleichrichter die Anode mit einem Schutzrohr aus Isoliermaterial zu umgeben und dieses Schutzrohr samt Anode in einem rohrförmigen Fortsatz des Durchführungsisolators anzuordnen, wobei in den Ringspalten zwischen Isolator und Schutzrohr einige Metallringe zur Erschwerung des Eindringens von Metalldämpfen vorge-

sehen sind. Auch im deutschen Patent 433 210 sin'd derartige Anodenschutzrohre zur Unterdrückung einer Rückzündung an der Anode vorgesehen, wobei der Abstand zwischen der Anode un'd dem metallischen, von allen spannungführenden Teilen isolierten Schutzrohr kleiner als die Dicke des Crookeschen Dunkelraumes beim Betriebsgasdruck des Gleichrichters ist. Bei dieser Anodenbauweise wird also der bereits aus dem deutschen Patent 209 969 bekannte Effekt verwendet, daß eine Rückzündung zwischen Anode und Kathode in einem Entladungsgefäß wirksam verhindert wird, wenn der Elektrodenabstand kleiner als die Dicke des Crookeschen Dunkelraumes ist. Bei der Anodenibauweise für Großgleichrichter gemäß dem genannten deutschen Patent 433 210 ist demnach ein Ringspalt von einigen Millimeter Breite vorhanden, entsprechend dem Gasdruck in solchen Gleichrichtergefäßen von etwa io~³ mm Hg, wobei aber das Schutzrohr kein ao Potential oder nur ein elektrostatisches Potential gleich demjenigen der benachbarten. Anode führt. Bei der Entwicklung von Stromdurchführungen für Entladungsgefäße zur Vornahme von Glimmentladungsprozessen, etwa Glüh- und Schmelzprozessen in einer Unterdruckatmosphäre von 0,1 mm Hg und höherem Druck, wurde festgestellt, daß ein Schutz der Berührungsstelle zwischen Innenleiter und Isolator mittels einer metallischen Hülse um den Innenleiter mit einem Abstand kleiner als die Dicke des Dunkelraumes erzielbar ist, da hierdurch eine Glimmentladung im Ringspalt erschwert wird. Gegenüber den bereits bekannten Anordnungen ist aber bei der erfindungsgemäßen Stromdurchführung der das Glüh- oder Schmelzgut im Unterdruckraum mit Strom versorgende Innenleiter mit einer ihn auf die ganze Länge der Durchführung ohne isolierende Zwischenschicht mit einer Ringspaltbreite von 0,1 bis 0,5 mm ummantelnden, ihm gegenüber an Spannung liegenden Metallumhüllung versehen. Bei der sehr geringen Ringspaltbreite von nur 0,1 bis 0,5 mm und der zwischen Innenleiter und Metallhülse herrschenden Spannung kann ein Funkenüberschlag oder ein Lichtbogen im Ringspalt aber nur dann vermieden werden, wenn keine thermische Emission des Innenleiters stattfinden kann. Hierzu muß der Innenleiter mit Hohlräumen für einen hindurchzuleitenden Kühlmittelstrom versehen sein, eine Maßnahme, die für Anoden von Entladungsgefäß en natürlich bereits bekannt ist, etwa aus den deutschen Patenten 354 797 und 404 490 sowie aus der britischen Patentschrift 365 479·

Bei der Formgebung der Abschirmung und des Leiters werden möglichst Kanten und Spitzen vermieden.

Die Isolation und Abdichtung des Stromleiters wird vorteilhaft außerhalb des Vakuum-Glüh- und Schmelzofens angeordnet, so daß sie leicht zugänglich ist. Der Stromleiter kann vorteilhaft als runder Hohlkörper ausgebildet werden, dessen Innenwandung mit einem Kühlmittel, wie Luft, öl, Wasser usw., gekühlt werden kann. Die metallische Umkleidung und der Stromleiter können vorteilhaft so ausgebildet werden, daß sie einen Labyrinthweg einschließen, wodurch der Zutritt von Ladungsträgern und Metalldampf zu der Isolation äußerst wirksam verhindert wird. Die metallische Abschirmhülse kann am Ende eine mit einem Loch versehene Kappe tragen, durch das die Stromleitung weiterführt. Die Kappe kann aber auch mit dem Stromleiter verbunden sein und über die Abschirmhülse ragen. Ein Labyrinthweg wird dann auf diese Weise gebildet, wenn der Abstand von der Abschirmhülse entsprechend kleiner gewählt wird als der sich ausbildende Glimmsaum um die Kathode. Die Kappen haben außer der Ausbildung eines Labyrinthweges für die Ladungsträger und die Metalldampfteilchen die Aufgabe, die Isolation gegen die Ablagerung von den sich von den Elektroden und Glühgut lösenden Metallsplittern zu schützen. Die Isolation gegenüber der Vakuum-Glüh- und -Schmelzofenkammer wifd vorteilhaft zwischen der mit einem Flansch ausgebildeten Stromzuführung und der Außenwandung des Vakuumofens untergebracht. Die Isolation, kann zur Erhöhung des elektrischen Kriechweges als Fortsetzung des Ringspaltes ausgebildet werden, sie kann in den Ringspalt hineinragen, wodurch die Spannungsfestigkeit noch weiter erhöht wird. Die Isolation kann auch gleichzeitig die Abdichtung bilden, wenn sie aus einem elastisch deformierbaren Werkstoff besteht. Die Isolation kann aus einem nichtelastischen Werkstoff, wie Glas, Quarz, Porzellan, Bernstein, Glimmer, Hartgummi, Pertinax, Kunstharz u. dgl., bestehen und an den Auflageflächen durch Gummischeiben oder durch Metallscheiben aus Blei, Kupfer, Aluminium oder solchen Metallen, die sich durch Druck leicht verformen lassen, abgedichtet werden. Auch die Ofenwandung kann an der Auflagestelle der Dichtungen und Isolation mit einer Kühlvorrichtung versehen sein. Aber auch die metallische Umkleidung des Leiters kann hohl und kühlbar ausgebildet werden. Die Kühlung hat den Vorteil, den sich teim Glühen etwa bildenden Metalldampf, der größtenteils neutral ist und somit einem elektrischen Feldverlauf nicht zu folgen vermag, an der gekühlten Abschirmung oder Stromzuführung vor Erreichen des Isolators zu kondensieren und den Isolator vor Wärme zu schützen. Durch die Ausbildung der Stromzuführung nach der Erfindung ist es möglich, hohe Leistungen bei hoher Spannung selbst bei großer Wärmeentwicklung an den Elektroden betriebssicher in die Vakuumofenkammer einzuführen.

Die beschriebene Stromzuführung für Vakuum-Glüh- und -Schmelzofen ist für alle in eine Vakuumofenkammer einzuführenden Spannungen, einerlei, ob sie für Kathode, Anode oder Hilfselektroden benötigt werden, vorteilhaft anzuwenden. Auch für Hilfsstromkreise, z. B. für elektrische Vorrichtungen, wie Antriebsmittel, gestattet sie die betriebssichere Zuführung von elektrischer Energie in jeder gewünschten Stärke 'bei beliebigen Spannungen. Sie behält ihre Vorteile bei Verwendung von Gleich- oder Wechselspannung

und gleichgerichteter Wechselspannung. Aber auch bei Verwendung von Hochfrequenzspannung beliebiger Frequenz hat sie sich bewährt. Die Erfindung zeichnet sich ferner dadurch aus, daß der Isolator den Flansch des Stromleiters gegenüber dem Vakuumofenraum vollständig bedeckt. Der Isolator ist dabei vorteilhaft mit einer Nut versehen, in die die metallische Abschirmhülse in geringem Abstand vom Stromleiter eingepaßt ist. Der Isolator kann

ίο ferner zum Teil in den Zwischenraum zwischen Ofendurchbohrung und der Abschirmhülse hineinragen und die Abschirmhülse von der Ofenwandung trennen. Die Abschirmhülse kann dabei vorteilhaft auch unterteilt ausgeführt werden.

Die Erfindung zeichnet sich ferner dadurch aus, daß der Stromleiter mit mehreren konzentrischen metallischen Umkleidungen, die gegenseitig und gegen den Stromleiter isoliert und in geringem Abstand angeordnet sind, umgeben ist. Die metal-

ao lischen Umkleidungen können dabei vorteilhaft gegeneinander und gegen den Stromleiter verschiedene Spannungen haben. Zur Regelung der Spannungsverteilung an den metallischen Umkleidungen wefden vorteilhaft Kondensatoren oder Widerstände oder auch Kondensatoren und Widerstände gleichzeitig vorgesehen. Die Flansche der Abschirmhülsen können zum Schütze des Isolators auch kühlbar ausgebildet werden. Die Erfindung bietet den Vorteil, daß infolge der Spannungsabstufung zwischen den einzelnen metallischen Umhüllungen hohe Spannungen bei hohen Leistungen betriebssicher in einen Vakuumofen eingeführt werden können. Die Vorrichtung bietet den besonderen Vorteil bei der Stromzuführung in metal- lische öfen, wobei die hohe Spannung zwischen Ofenwandung und Stromleiter angelegt wird. Dabei kann sowohl der Stromleiter als auch die Ofenwandung die negative Spannung führen. Auch bei dauerndem Ändern der Stromrichtung, wie es bei Anlegen von Wechselspannung der Fall ist, zeigt die Durchführung dieselben Vorteile. Unter Verwendung einer so geschützten Stromzuführung konnten Spannungen bis zu 10 000 Volt und mehr und Leistung von über 100 Kilowatt und mehr angelegt werden, ohne die Isolationsteile auch bei längerem Betrieb zu verletzen oder zu zerstören.

In der Zeichnung ist die Erfindung an einigen Ausführungsbeispielen schematisch näher erläutert, und zwar zeigen die

Fig. ι bis 7 verschiedene Ausführungsformen einer Stromdurchführung in einen Vakuum-Glüh- und -Schmelzofen mit Abschirmung des isolierten Leiters durch eine Metallhülle, die

Fig. 8 einen Schnitt durch die Stromdurchführung, verbunden mit einer Schaltskizze für die elektrische Schaltung der Widerstände und Kondensatoren, und die

Fig. 9 einen Schnitt durch einen elektrisch geheizten Vakuum-Glüh- und -Schmelzofen.

In der Fig. 1, die eine Stromzuführung in eine Vakuumofenkammer 1 darstellt, ist 2 die z. B. metallische Wandung der Vakuumofenkammer, in die durch ein Loch in der Wandung der Leiter 3 eingeführt ist, der z. B. hohl ausgebildet ist und von einem Kühlmittel, wie Wasser, öl oder Luft gekühlt werden kann. Das Kühlmittel wird durch die Leitung 4 zugeführt und durch die Leitung 5 abgeführt. Der Leiter 3 ist von einer zylindrischen, sich am Ende erweiternden metallischen Hülle 6 in geringem Abstand umgeben, die in die Vakuumofenkammer so weit hinreinragt, daß keinerlei Entladungsvorgänge durch den schmalen Ringraum zwischen dem Leiter 3 und der Hülle 6 an die außerhalb der Vakuumofenkammer angeordnete Isolation und Dichtung gelangen kann. Als Isolation dient z. B. ein keramischer Körper 7, der durch zwei Dichtungsringe 8 und 9, z. B. aus Blei, Kupfer oder Aluminium, gegenüber der Gefäßwandung 2 und dem Flanschring 10 des Leiters 3 abgedichtet ist. Durch den Ring 11 aus Isoliermaterial wird mittels der Schrauben 12 der Flansch 10 des Leiters 3 fest angepreßt. 13 ist die Stromzuführung und 14 die Anschlußleitung.

Die Stromdurchführung nach Fig. 2 unterscheidet sich von Fig. 1 vor allem dadurch, daß die metallische Hülle 6 an ihrem oberen Ende eine Kappe 15 trägt, die für den Zutritt von Ladungsträgern und Metal !dampf teilch en in den schmalen Ringraum zwischen dem Leiter 3 und der Metallhülle 6 eine Erschwerung darstellt. Außerdem ist zwischen dem Isolator 16 und dem Leiter 3 der Hohlraum 17, der zwischen der metallischen Hülle 6 und dem Leiter 3 gebildet wird, weitergeführt, um den Kriechweg auf der Isolation entsprechend der angelegten Spannung zu verlängern. 18 und 19 sind zwei Dichtungsscheiben z. B. aus Gummi. Die Schrauben zum Anpressen des aus Isolationsmaterial bestehenden Ringes 11 sind nicht dargestellt.

Die Stromdurchführung nach Fig. 3 unterscheidet sich von der Vorrichtung nach Fig. 2 dadurch, daß die an den Stromleiter angeschlossene Leitung 14 mit einer Kappe 20 versehen ist, die um das obere Ende der metallischen Hülle 6 herumgreift. Auch auf diese Weise ist den Ladungsträgern und Metalldampfteilchen der Eintritt in den Hohlraum zwischen dem Leiter und der Metallhülle verwehrt.

Die Stromdurchführung nach Fig. 4 zeichnet sich dadurch aus, daß der Stromleiter 21 und die metallische Abschirmung 22 treppenartig so aus ■ gebildet sind, daß sie einen Labyrinthweg 23 umschließen, der das Herantreten von Ladungsträgern und Metalldampfteilchen an die Isolation 24 verhindert. Der Leiter 21 ist gleichfalls kühlbar ausgebildet. 25 ist ein Metalldichtungsring, der die Abschirmung gegen die Gefäßwand abdichtet. Sie kann daber auch durch Verschweißen mit der Ofenwand fest verbunden sein. Die Rillen können aber auch bei genügend starker Ofenwandung direkt in dieselbe eingearbeitet sein. 26 ist der Anpreßring aus Isoliermaterial, 27 ist eine Wasserzuleitung und 28 eine Wasserableitung.

Die Stromdurchführung nach Fig. 5 zeichnet sich dadurch aus, daß die metallische Abschirmhülle 31 als kühlbarer Hohlkörper ausgebildet ist,

dem das Kühlmittel durch 'die Leitung 32 zugeführt und durch 'die Leitung 33 abgeführt werden kann. 34 ist der Isolierkörper und 35 der Anpreßring aus Isoliermaterial, sowie 36 ein Dichtungsring. Die Stromdurchführung nach Fig. 6 zeichnet sich dadurch aus, daß die metallische Umkleidung des Leiters 3 aus einer Kühlschlange 37 mit der Zuleitung 38 und Ableitung 39 besteht, die vakuumdicht durch den Gefäßboden 2 in den Vakuumofen eingeführt sind.

Die Stromdurchführung nach Fig. 7 zeichnet sich dadurch aus, daß die Wandung 2 des Vakuumofens mit einem Kühlkanal 40 versehen ist, dem durch die Leitung 41 das Kühlmittel zugeführt wird. 42 ist die Ableitung des Kühlmittels. Die Wandung des Vakuumofens dient in diesem Fall gleichzeitig zur metallischen Abschirmung des Leiters 43.

In der Fig. 8, die eine Stromdurchführung in eine Vakuumkammer 1 darstellt, ist 2 die z. B. metallische Wandung der Vakuumofenkammer, in die durch ein Loch in der Wandung der Leiter 3 eingeführt ist, der z. B. hohl ausgebildet ist und von einem Kühlmittel, wie Wasser, Öl oder Luft gekühlt werden kann. Das Kühlmittel wird durch die Leitung 4 zugeführt und durch die Leitung S abgeführt. Der Leiter 3 ist von mehreren, z. B. vier zylindrischen Metallhülsen 6 a, 6b, 6c, 6d umgeben, die an ihrem einen Ende einen Flansch tragen, während die mit dem anderen Ende in die Ofenkammer so weit hineinragen, daß keinerlei Entladungsvorgänge oder Metallteilchen aus dem Ofenraum durch die schmalen Ringräume zwischen dem Leiter 3 und der Hülle 6 α sowie zwischen den übrigen Hüllen an die außerhalb der Vakuumofenkammer angeordneten Isolationen und Dichtungen gelangen kann. Zur Isolation dienen die Ringe 7 a, 7 b, Jc, 7 d. Durch den Ring 11 aus einem Isoliermaterial wird mittels der Schrauben 12 der Flansch 10 des Stromleiters 3 fest angepreßt. 14 ist eine an den Leiter 3 angeschlossene Stromleitung. 59, 60, 61, 62 sind konstante oder regelbare Widerstände. 63, 64, 65, 66 sind konstante oder regelbare Kondensatoren zur Spannungsregelung an den Ab-Schirmhüllen. An die beschriebene Stromzuführung können Spannungen bis zu einigen 10 000 Volt ohne Schädigung der Isolation, auch bei hohen Temperaturen im Vakuumofen angelegt werden.

Die Fig. 9 zeigt einen Schnitt durch einen elektrisch geheizten Vakuum-Glüh- und -Schmelzofen für metallisches und nichtmetallisches Gut, bei dem die Ofenwandung neutral oder als Anode gegenüber einer isoliert eingeführten Kathode geschaltet ist und bei dem das Glühgut im Ofen die Kathode und das elektrisch erhitzte Gas zwischen kathodischem Glimmsaum und Anode das Heizelement für das zu erhitzende Gut bildet. Der Vakuum-Glüh- und -Schmelzofen besteht aus einem Unterteil 94 und einem abnehmbaren Oberteil 95, die mittels der Dichtungen 96 und 97 vakuumdicht verbunden sind und die einzeln oder gemeinsam die Anode bilden oder neutral sind. Der z. B. haubenförmig ausgebildete Oberteil 95 ist mit einem Kühlmantel 98 versehen, dem durch die Leitung 99 ein Kühlmittel zugeführt und durch den Stutzen 100 abgeleitet werden kann. In dem Oberteil ist ferner eine öffnung vorgesehen, die durch ein Schauglas ϊοι verschlossen ist. An dem Stutzen 102, der in dem Unterteil isoliert angeordnet ist, ist eine nicht dargestellte Vakumpumpe angeschlossen, mit der vorzugsweise ein Druck von 10,0 bis 0,05 mm Hg eingestellt werden kann. Der Unterteil 94 besitzt ferner einen gleichfalls gegen die Anode isolierten Stutzen 103. Die Teile 104 und 105 sind Isolierringe, und die Teile 106 und 107 sind Isolier- und Anpreßringe. An den Stutzen 103 kann ein Druckanzeigegerät angeschlossen werden, und durch ■ den Stutzen 103 kann ferner auch über ein nicht dargestelltes Regelventil ein Füllgas in geregelter Menge zugeführt werden. Als Füllgas kann je nach dem angewandten Glühgut ein inertes Gas, wie Argon, Krypton, Xenon, Helium, oder ein reduzierendes Gas, wie Wasserstoff, Kohlenwasserstoffe od. dgl. verwendet werden. Auch Stickstoff, Ammoniak oder ähnliche Gase können zur Anwendung kommen, wenn eine Einwirkung auf das z. B. metallische Glühgut beabsichtigt ist. Es können überhaupt Gase oder Dämpfe zugeleitet werden, die chemische Einwirkungen auf dem Glühgut hervorrufen. In dem Unterteil 94 ist ferner die durch die metallische Bodenplatte abgeschirmte Anode 108 isoliert und abgeschirmt angeordnet, desgleichen die Durchführung 109, die hohl ausgebildet ist und der durch die Leitung 110 ein Kühlmittel zugeführt und durch den Stutzen in abgeleitet werden kann. Zwischen der Anode 108 und dem Gefäß unterteil 94 befindet sich ein enger labyrinthförmiger Spalt, der so eng ist, daß keine Glimmentladung in dem Spalt möglich ist. Auch zwischen der Anode 108 und der kathodischen Durchführung 109 befindet sich ein ähnlicher enger laibyrinthförmiger Spalt. Die Durchführung 109 trägt mittels eines elektrisch leitenden Abschirmstiftes 112, z.B. einen leitenden Teller 113, auf dem das Glühgut 114 gelagert ist. Die Durchführung 109 ist mit dem negativen Pol einer Gleichstromquelle 119 verbunden. An Stelle der Gleichstromquelle 119 kann auch eine Wechselstromquelle treten. An Stelle des Glühgutes 114 kann auch ein Schmelztiegel, z. B. aus Kohle oder aus keramischem Material, wie Beryllium-Oxyd, der auch aus Metall zur Aufnahme des zu erhitzenden oder schmelzenden Gutes vorgesehen werden. 115 und 116 sind Isolierringe, und 117 ist ein Isolier- und Anpreßring, der mittels einer nicht dargestellten Verschraubung angepreßt wird. 118 ist ein Kühlkanal, dem ein Kühlmittel zugeführt werden kann.

Die beschriebenen Stromdurchführungen eignen sich sowohl für Gleichstrom als auch für Wechselstrom sowie für mehrphasigen Wechselstrom, z. B. Drehstrom.

Claims (2)

1. PATENTANSPRUCH:

   Stromdurchführung für ein Entladungsgefäß, deren in den Unterdruckraum ragender, span-

   nungführender, konzentrischer Innenleiter mit einer die Glimmentladung an ihm erschwerenden metallischen Umhüllung versehen ist, deren Abstand vom Innenleiter kleiner ist als die Dicke des Dunkelraumes, dadurch gekennzeichnet, daß der in an sich bekannter Weise mit Hohlräumen für einen Kühlmittelstrom versehene, das Glüh- oder Schmelzgut im Unterdruckraum mit Strom versorgende Innenleiter mit einer ihn auf die ganze Länge der Durchführung ohne isolierende Zwischenschicht mit einer Ringspaltbreite von o,i bis 0,5 mm ummantelnden, ihm gegenüber an Spannung liegenden Metallumhüllung versehen ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   Deutsche Patentschriften Nr. 209 192, 404 490, 354797, 433210, 487192, 577 795, 626427; britische Patentschrift Nr. 365 479;

   R. W. Pohl, »Einführung in die Physik«, Bd.
2. 2, Berlin 1935, S. 161;

   A. Günther - Schulze, »Handbuch der Physik«, 1926, Bd. 17, S. 322/323.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

   © 709 712/29 10.57