Netalldampfgleichrichter mit Anodenschutzrohr. Fei Metalldampfgleichrichtern darf die Stromdichte an der Anodenoberfläche einen vom Material abhängenden Höchstwert nicht überschreiten, weil sonst die Anoden schmel zen würden. Ausserdem nehmen bei zu hoher 'Temperatur auch die die Rückzündungen be- bünstigende Elektronenemission des Anoden materials und die auf den Anoden durch den Materialtransport im Bogen stets vorhan denen Verunreinigungen zu.
Es ist deshalb gebräuchlich, für die Gleichrichter grosser Stromstärke Anodenzahl und -abmessungen zu vergrössern. Dem Parallelschalten von Anoden und auch :dem starken Vergrössern ;ler Anoden steht jedoch,die fallende Strom spannungskennlinie des Lichtbogens ent gegen, die das Vorschalten von so grossen Ohm'schen oder induktiven Widerständen vor jede der an dieselbe Transformatorphase angeschlossenen Anoden erforderlich macht, dass diese Reihenschaltung von Widerstand und Lichtbogen eine steigende Stromspan nungskennlinie hat.
Dieses komplizierte Verfahren hat vor allem ausser dem grossen Aufwand an Kupfer und dem .grossen Platz bedarf den Nachteil, dass der Gleichrichter mehr vakuumdichte Stromeinführungen be nötigt. Es ist deshalb vorgeschlagen wor den, diese Widerstände dadurch in das Va kuumgefäss hineinzuverlegen, dass die Anode unterteilt wird und je ein Widerstand einer seits mit dem allen Teilen gemeinsamen Stromdurchführungsleiter, anderseits mit je einem dieser Anodenteile verbunden ist.
Selbst wenn der spez. Widerstand des Ano denmaterials sehr gross ist, so dass durch einfaches Einfräsen tiefer Schlitze und Spal ten in .die Anode die den Oberflächenelemen ten vorgeschalteten Widerstände aus dem Anodenmaterial selbst in einfacher Weise gewonnen werden, haftet diesem Verfahren ein Mangel an, der in der Hauptsache darin besteht, dass die Anode unnötig erhitzt wird.
Im Gegensatz zu den bekannten Anord nungen wird bei der Anordnung nach der Erfindung der Widerstand in :die Gasstrecke belegt. Erfindungsgemäss wird dieses da durch erreicht, dass in einem .die Anode um gebenden Rohr Einbauten in Form von radialen Führungswänden vorgesehen sind. Das genannte Rohr ist bei Gleichrichtern mit Metallgefäss meistens sowieso vorhanden und wird dort als Anodenschutzrohr bezeich net.
Dadurch, dass die Einbauten innerhalb des Rohres erfindungsgemäss als radiale Führungswände ausgebildet sind, ist nicht nur eine Aufteilung der Lichtbogenbahn in verschiedene Teilbahnen und damit eine selbsttätige Anpassung der wirksamen Ano denfläche an den Belastungsstrom erzielt, sondern in besonders vorteilhafter Weise auch dafür Sorge getragen, dass die nach Ablauf der positiven Halbwelle noch vor handenen positiven Ionen wirksam aus der Entladungsbahn entfernt werden, ohne dass die Entladung in der Vorwärtsstromrich- tung ungünstig beeinflusst wird.
Infolge der Ausbildung der Einbauten als radiale Führungswände wird den zu be seitigenden Ionen eine verhältnismässig grosse Fläche dargeboten, und dabei nicht die Dif fusion der Ionen- zu den Wänden .des Ano- denschutzrohres hin (in radialer Richtung) unterbunden. Die erfindungsgemässen Ein bauten stellen eine grosse Gesamtfläche dar, obwohl ihr Querschnitt (senkrecht zur Achse der Entladungsbahn) eine verhältnis mässig sehr kleine Fläche besitzt.
Die Ein bauten nach der Erfindung haben aus den genannten Gründen den besonderen Vorzug, dass sie zwar in der angegebenen Weise Rückzündungen wirksam unterdrücken, da gegen die Entladungsbahn für den Vorwärts strom nur insoweit beeinflussen, als eben wünschenswert ist.
Die erfindungsgemässen Führungswände sind vorteilhaft so angeordnet,,dass eine zen trale Bahn für den Liehtbogen unbehindert frei bleibt, derart; dass bis zu gewissen Stromstärken der Spannungsabfall im Licht bogen nicht nennenswert erheblich, dagegen bei grösseren .Stromstärken, sobald sich der Lichtbogen mehr den äussersten .Stellen der Führungswände nähert, der Spannungs- abfall des Lichtbogens hinreichend steigend wird,
und dadurch weiter aussen gelegene Teile der Anode an der Entladung beteiligt werden und nach Art von parallel geschal teten Anoden der Gesamtspannungsabfall nicht in unzulässiger Weise erhöht wird.
Die Einbauten sind geeignet, um die Stromverteilung an der Anode selbsttätig zu regeln, und daher auch besonders vorteilhaft anzuwenden, wenn mehrere Anoden parallel geschaltet sind. Wenn diese verschiedenen parallel geschalteten Anoden in der erfin dungsgemässen Weise mit Einbauten aus gerüstet sind, so ist sichergestellt, dass nach dem anfänglich nur eine Anode Strom ge führt hat, von -einer gewissen Stromstärke ab, soweit der Spannungsabfall zwischen ,dieser Anode und der Kathode hinreichend steigend wird, eine weitere der parallel ge schalteten Anoden die Stromzuführung zu sätzlich übernimmt.
Die gemäss der Erfindung vorgesehenen Führungswände können von Einbeulungen des die Anode umgebenden Rohres (Anoden schutzrohres) gebildet werden. Um sicher zustellen, dass bei Beginn der negativen Halbperiode der Anodenspannung aus dem Entladungsraum der Anode zueilende posi tive Ionen wirksam abgefangen werden, und es nicht dazu kommt, dass etwa von der Anode ausgehende Elektronen Dampfmole küle ionisieren, ist es vorteilhaft, dass die achsiale Länge der Querwände grösser ist als ihre radiale Länge.
Insbesondere kann es zweckmässig sein, die (achsiale) Länge der Querwände bezw. Einbeulungen grösser als den Durchmesser des Anodenschutzrohres zu wählen, so dass sie praktisch gleich oder grösser oder aber zum mindesten in der Grössenordnung der freien Weglänge der Elektronen ist.
In andern Fällen ist es vorteilhaft, die Führungswände so anzuordnen, dass sie, auf einanderstehend, den Raum innerhalb des die Anode umgebenden Rohres kreuzen.
Die Führungswände bestehen zweckmässig aus Metall. Besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, Querwände aus Graphit herzu stellen.
In Fig. 1 und 2 der Zeichnung ist eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstan des dargestellt, bei der die Führungswände von Einbeulungen des Anodenschutzrohres gebildet werden. Unterhalb der Anode 34 ist die Anodenkammer durch Einbeulungen 41 verengt. Wie aus der Fig. 1 zu erkennen ist, ist die Länge der Einbeulungen grösser als der Durchmesser der Anodenkammer. Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Er findung, bei dem innerhalb des die Anode umgebenden Rohres senkrecht aufeinander stehende Führungswände 42, 43, die den Raum innerhalb des Rohres kreuzen, vor gesehen sind.
Die Führungswände 42, 43 bestehen vorzugsweise aus Graphit.
Für die Beurteilung der Wirkungsweise ist es erforderlich, die Entladungsvorgänge im Gleichrichtergefäss zu erläutern. Bekannt lich nimmt der Spannungsabfall von Queck- silberdampflichtbögen von kleinem Strom an bis zu dem Strom, den man bisher als Vollaststrom bezeichnete, mit zunehmendem Strom ab. Solche Stromspannungscharak- teristiken nennt man "fallend" oder man spricht von einem "negativen" Widerstand.
Wird ein solcher Widerstand von Strom durchflossen, so wird nach dem Joule'schen Gesetz auch in ihm Wärme erzeugt, wie in einem eben so grossen positiven Widerstand.
Es hat sieh nun herausgestellt, dass bei höherem Strom der Spannungsabfall wieder zunimmt und schliesslich bei grossem Strom auf einen beträchtlichen Wert ansteigt. Diese Zunahme des Lichtbogenabfalles mit zunehmendem Strom ist kennzeichnend für Quecksilberdampfgleichrichter mit niedrigem Dampfdruck und hoher Belastung, während in dem vorher erwähnten Bereich des nega tiven Lichtbogenwiderstandes der Dampf druck vorzugsweise hoch und die Strom stärke niedrig ist. Der positive Widerstand ist daher wahrscheinlich eine Folge der An näherung an den Zustand restloser Ioni sation aller in dem Raum vor den Anoden befindlichen Quecksilberatome.
Ein Beispiel einer derartigen Kurve ist mit a in Fig. 3 gezeichnet.
Es hat sich ferner herausgestellt, dass der Grenzstrom, der mit Sicherheit durch eine Anode bewältigt werden kann, beträchtlich über dem Wert liegt, bei dem der Licht bogenwiderstand positiv wird.
Wenn mehrere Anoden parallel geschaltet sind, führt die Anode, die die kleinste Zünd- spannung hat, bei kleiner Belastung den Gesamtstrom, und dieser Zustand bleibt bei zunehmendem Gesamtstrom während des fallenden Teils der Stromspannungskennlinie des Lichtbogens und im steigenden Teil die ser Kurve bis zu dem Punkt bestehen, bei dem die Zündspannung einer andern der parallel geschalteten Anoden überwunden wird. Dann beginnt auch diese Anode, Strom zu führen.
Diese Verhältnisse sind in Fig.3 dar gestellt. Mit a ist die Stromspannungskenn- linieeines mit niedrigem Dampfdruck arbei tenden Quecksilberdampfgleichrichters wie dergegeben, bei dem der Lichtbogenabfall, also die Spannung zwischen Anode und Ka thode, als Ordinate und der Anodenstrom als Abszisse aufgetragen sind. Der Grenzstrom für eine einzelne Anode liegt beispielsweise ungefähr beim Punkt 30 der Kurve a, und er entspricht einer Spannungsdifferenz von ungefähr 50 V zwischen Anode und Ka thode. Die Kurven b und c stellen den Strom dar von zwei parallel geschalteten Anoden.
Wenn der als Abszisse aufgetra gene Strom klein ist, wird er vollkommen durch eine Anode fliessen, wie es die Kurve b wiedergibt. Der Lichtbogenabfall nimmt nämlich bei so kleinem Strom mit zunehmen dem Strom ab, so dass der Gesamtverlust kleiner ist, wenn eine Anode den ganzen Strom führt, als wenn zwei parallel geschaltete Anoden je etwa .den halben Strom führen.
Wenn der Strom den Bereich des negativen Lichtbogenwiderstandes über s e 'hritten und einen bei 31 angedeuteten angedeuteten Wert erreicht hat, der dem Punkt<B>32</B> im positiven Bereich des Widerstandes der Kurve a entspricht, bei dem der Spannungs- abfall gerade so gross ist wie die Zündspan- nung der zweiten Anode, beginnt diese Anode, Strom zu führen, wie Kurve c dar stellt.
Von diesem Punkt an beginnt die gleichmässigere Verteilung der parallel geschalteten Anoden. Der noch bestehende Unterschied des von ihnen geführten Stro mes ist hauptsächlich eine Folge des durch die Verschiedenheit der Länge des Licht bogens zwischen Anode und Kathode ver ursachten Unterschieds im Lichtbogenwider- stand.
Da beim Punkt .31 der Strom kleiner ist als der höchste, für eine einzelne Anode zu lässige Strom, nämlich kleiner als der Strom bei Punkt 30, ist die ungleichmässige Ver teilung bis zu dieser kleinen Belastung nicht nachteilig für die allein brennende Anode. Bei grossen Belastungen, die sich dem Grenz wert 30 nähern, verteilt sich der Strom ziem-., lich gleichmässig auf die Anoden. Es ist demnach der Gesamtstrom, der durch das Anodenpaar übertragen werden kann, un gefähr doppelt so gross wie der, der mit Sicherheit durch eine einzige Anode ülber- tragen werden kann.
In derselben Weise können drei oder mehr Anoden miteinander oder mit einer einzigen Transformator klemme verbunden werden. Der gesamte Anodenstrom kann dann auf das Drei- oder Mehrfache desjenigen Stromes vergrössert werden, der durch eine einzige Anode glei cher Grösse übertragen werden kann, ohne dass äussere Mittel zur Stabilisierung der Parallelschaltung erforderlich sind.
Ein weiterer Schritt, der besonders für Gleichrichter mit Metallgefäss, bei denen der Querschnitt des Durchführungsleiters sehr gross gewählt werden kann, von Bedeutung ist, besteht in der Vereinigung dieser klei nen Anoden zu einer grossen Anode mit einem bis dicht vor die Anodenoberfläche unterteilten Lichtbogenführungsrohr. An statt also die parallel geschalteten Anoden ausserhalb des Metallgefässes miteinander zu verbinden, können sie innerhalb des Gefässes miteinander verbunden oder sogar zu einer einzigen grossen Anode vereinigt sein, zu der der Lichtbogen über zwei oder mehr parallele Wege geleitet wird.
Es hat sich heraus gestellt, dass eine Anode, der in dieser Weise der Strom zugeführt wird, denselben Strom mit Sicherheit führen kann wie zwei oder mehrere kleinere in der oben beschriebenen Weise parallel geschaltete Anoden. Wenn jedoch eine einzelne grosse Anode innerhalb eines grossen Anodenarmes mit einem ein zigen zu ihr führenden Durchlass angeordnet ist, arbeitet sie bei demselben Dampfdruck nicht so zufriedenstellend wie die kleineren Anoden bei demselben Dampfdruck. Es muss vielmehr der Druck soweit erniedrigt werden, dass die grosse Anode nicht mehr Strom führt als eine einzelne kleine Anode.
Beispielsweise muss eine in einem Arm von 25 cm Durchmesser angeordnete Anode bei einem Druck von ungefähr 0,0006 mm Rg arbeiten, damit sie denselben Strom führen kann wie eine in einem Arm von 7,5 cm angeordnete und bei ungefähr 0,005 mm Dampfdruck arbeitende Anode. Falls in bei den. Fällen nur eine Gleichspannung von 3000 V entnommen werden soll, ist es nicht erforderlich, dass die parallelen Wege zu der Anode vollkommen getrennt verlaufen, son dern sie können auch dicht nebeneinander liegen.
Ohne sich auf eine bestimmte Theorie festzulegen, kann man annehmen, dass das Kriterium für eine geeignete Bauart von der Wahrscheinlichkeit abhängt,. mit der ein Elektron, das von der Anode zur Kathode wandert, die Wände oder Lichtbogenführung oder des Gefässes berührt, bevor es mit einem Quecksilberatom zusammentrifft. Wenn diese Wahrscheinlichkeit unterhalb eines bestimm ten Wertes liegt, ist ein zufriedenstellendes Arbeiten möglich. Wenn diese Wahrschein lichkeit ,grösser ist, können Rückzündungen auftreten.
Die kritische Zusammenstosswahr- scheinlichkeit hängt von der gleichzurichten den Spannung ab, und sie ist umso kleiner, je höher die Spannung ist.
Die Lichtbogenführungsrohre müssen so bemessen sein, dass oberhalb eines Strom- wertes, bei dem ein einem Führungsrohr zu geordnetes Oberflächenelement der Anode durch den Gesamtstrom überlastet würde, der Lichtbogenwiderstand positiv ist und gross genug, um eine ausreichende gleich mässige Verteilung des Stromes auf die parallel geschalteten Rohre zu bewirken. Es ist klar, dass die Lic.htbogenführung ihren Zweck nur erreicht, wenn die Führungs wände bis unmittelbar an die Anoden ge führt werden. Beträgt,der Abstand zwischen ihrem Ende und der Anode mehr als 10 cm, so hört die Wirkung vollkommen auf. Die günstigste Entfernung ist etwa 1 cm.
Bei zu kleinem Abstand stört die im Anodenfall freiwerdende Wärme, weil durch sie die Führungswände schmelzen. Hinsichtlich der Abmessungen der Führungskanäle hat man einen weiten Spielraum, da mit langen, wei ten Kanälen dieselbe Wirkung erzielt wer den kann wie mit kurzen, engen.
Die .durch diese Führungen erzwungenen Lichtbogenverluste sollten schon mit Rück sieht auf den Wirkungsgrad nicht unnötig gross gemacht werden. Es besteht aber auch die Gefahr, dass bei zu grossem zusätzlichen Lichtbogenabfall, der eine Potentialdiffe renz zwischen dem Eingang und Ausgang des Bogens in den Kanal darstellt, diese Differenz sich über die Führungswände des Kanals, falls sie aus Leitern bestehen, aus gleichen. Es bildet sich dann an der der Anode zugewandten Seite eine ano-dische Entladung.
Diese Gefahr kann durch Ver wendung von Führungswänden aus Isolier material oder auch durch Unterteilen der Führungswände in voneinander .isolierte Ab schnitte beseitigt werden.
Wenn anderseits die Stromdichte zu .gross gewählt wird, ist ein zu grosser Prozentsatz der Dampfatome ionisiert. Diese Ionen wer den aus dem Führungskanal durch das elek trische Feld entfernt, und es tritt ein Man gel an Dampf und damit an Ionen ein. Der Lichtbogenabfall nimmt dann während jeder Stromperiode von Anfang bis zum Ende zu. Der Lichtbogen reisst dann häufig gerade bei grosser Stromstärke in so kurzer Zeit ab"dass wegen der Induktivität des vom Anoden strom durchflossenen Kreises sehr hohe Überspannungen auftreten.
Von besonderer Bedeutung ist die Besei tigung der Ionen, welche am Ende einer positiven Halbperiode in den Raum unter halb der Anoden verbleiben. Wenn diese Ionen nicht schnell absorbiert werden, kön nen sie die Anode bombardieren und auf ihr einen Kathodenfleck erzeugen. Um diese Ionen zu absorbieren, ist der Raum unter halb der Anode innerhalb der Anodenkam mer in die erwähnten engen und verhältnis mässig langen Räume unterteilt; deren Ober flächen zum Absorbieren von Ionen geeignet sind.
Auch für diese Wirkung der Füh rungswände ist es nicht unbedingt notwen dig, dass sie aus leitendem Material bestehen; Wände aus Isoliermaterial haben vielfach dieselbe Wirkung. Selbstverständlich dürfen Wände aus leitendem Material weder mit der Anode noch mit der Kathode in leiten der Verbindung stehen. Die Dimensionie rung von Grösse und Abstand derartiger Oberflächen hängt von der an die Anoden anzulegenden Spannung und vom Strom ab.