Vakuumentladungsgefäss mit von der Pumpe getrenntem Vakuumgefäss und reiner Qlueeksilber kathode. Die Erfindung bezieht sich auf eine weitere Ausbildung :des im Hauptpatent beanspruchten Entladungsgefässes, bei dem ein chemisch inaktives Gas, dessen Druck etwa 0,01 bis 0,1'5 mm Hg.-Säule beträgt, in das Vakuumgefäss eingefüllt ist.
Durch die Einfüllung von chemisch inaktivem Gas innerhalb dieser Grössenord nung wird erreicht, da.ss auch bei kaltem Zylinder, wo der von der Kathode aufstei- gende Gas- oder Dampfstrom, z. B. ein Quecksilberdampfstrom, zu niedrige Werte hat, und hohen Stromstärken das Auftreten einer Ionenverarmung in der Nähe von Ano den, die ,Überspannungen., hochfrequente Schwingungen und Rückziindungen zur Folge haben kann, verhindert wird.
Die Einfüllung von chemisch inaktivem Gas hat aber neben diesen Vorzügen auch Nachteile.
Der auftretende Lichtbogenabfall ist bei Verwendung von Edelgasen höher als bei Queoksilberdampf. Allerdings verhalten sich die einzelnen> Edelgase in dieser Beziehung ziemlich verschieden. Durch umfangreiche Versuche ist festgestellt worden, dass, Helium und Neon nur dann verwendet werden kön nen, wenn verhältnismässig hohe Lichtbogen- abfä.lle zugelassen werden können, und zwar betragen diese bei Helium 50 bis 60 Volt, bei Neon 30 bis 40 Volt.
Als erheblich gün stiger haben sich Argon und Krypton er wiesen, und zwar ist Krypton am günstig sten, aber auch bei diesen Gasen liegen die Lichtbogenalfälle noch etwas höher als bei reinem Quecksilberdampf, und zwar in der Höhe von 20 bis 2,5 Volt.
Weiterhin zeigt reiner Quecksilberdampf gegenüber den Sperrspannungen geringere Neigung zum Auftreten von Glimmentladun gen und Rückzündungen, das heisst bei einer gegebenen Sperrspannung in Quecksilber dampf zündet eine Glimmentladung erst bei höheren Spannungen als in Krypton oder Argon, und nachdem die Glimmentladung einmal gezündet hat, erreicht -sie in Queck silberdampf geringere Stromstärken als in Argon oder Krypton.
Ferner werden sowohl Argon als auch Krypton, wenn sie dauernd in der Um gebung der Anoden sind, durch die infolge der .Sperrspannung auftretende Entladung aufgezehrt, wenn auch nur in geringem Masse.
Gemäss der Erfindung werden nun unter Beibehaltung aller Vorteile der Einführung von chemisch inaktivem Gas die vorstehend erläuterten Nachteile dadurch beseitigt, dass Mittel vorgesehen werden, welche das che misch inaktive Gas, das bei kaltem Gefäss das ganze Gefäss, zumindest aber den Ent ladungsweg und die Umgebung der Anoden erfüllt, mit zunehmender Erwärmung aus, dem Entladungsweg und der Umgebung der Anoden verdrängen. Hierdurch wird bei heissem Zylinder das chemisch inaktive Gas, vorzugsweise ein Edelgas, dessen Atomge wicht mindestens 39,9 beträgt, wie z. B.
Ar gon, Krypton oder Xenon, in der Umgebung der Anoden durch den von der Kathode auf steigenden Gas- oder Dampfstrom, zum Bei spiel einen Quecksilberdampfstrom ersetzt, der inzwischen infolge der Erhitzung des Zylinders den für einen sicheren Betrieb er forderlichen normalen Druck erreicht hat.
Wie die Verdrängung des Edelgases bei zunehmender Erwärmung erreicht wird, ist an sich belanglos, das heisst sie kann durch irgendwelche geeignete Mittel erreicht wer den. Zweckmässig wird zur Verdrängung der Edelgase ein Strömungsvorgang nutzbar ge macht in ähnlicher Weise, wie dies von Quecksilberdiffusionspumpen bekannt ist, und zwar wird der während des Betriebes von der Kathode aufsteigende Gas- oder Dampfstrom derart geführt, dass er den Ent ladungsweg und die Umgebung der Anoden erfüllt, das eingefüllte chemisch inaktive Gas aber in vorbestimmte Teile des Gefässes abdrängt.
Diese Strömung kann dadurch er zeugt werden, @dass, der obere Teil des Gefässes stärker als der untere gekühlt wird. Durch den von der Kathode ausgehenden Gas- oder Dampfstrom wird dann das chemisch inak tive Gas nach den am besten gekühlten Tei len des Gefässes zurückgedrängt, während die Anoden in der Nähe von auf höhere Temperaturen kommenden Wandteilen sich befinden und infolgedessen in eine Atmo sphäre von Quecksilberdampf oder einem sonstigen Dampf oder Gas eintauchen.
Zur Aufnahme des abgedrängten Edelgases kann im Innern des Gefässes ein besonderer Raum vorgesehen werden, in welchem sich das nach der Erwärmung des Gefässes nicht mehr an der Stromleitung teilnehmende Edelgas sammelt.
Da die mittleren, freien Weglängen in den Edelgasen, z. B. in Argon und Krypton, bei Elektronengeschwindigkeiten. entspre chend der Ionisierungsspannung dieser Gase grösser sind als die entsprechenden Weglän gen in Quecksilberdampf, kann der Edelgas druck bei kaltem Zylinder wesentlich kleiner als .der Quecksilberdampfdruck bei heissem Zylinder bemessen werden, um die gleiche Sicherheit gegen das Auftreten von hochfre- quenten Schwingungen, Überspannungen und Rückzündungen zu erreichen.
Beispielsweise ist .bei einer in einem Anodenschutzrohr be findlichen Anode, vor .der sich eine Teilhülse mit 40 mm Länge - worunter der Abstand der Hülsenöffnung, in welchem sich die Striktionskathode befindet, bis zur Anoden oberfläche zu verstehen ist - und 13 mm Durchmesser befindet, festgestellt worden, dass 0,2 mm Hg.-Säule bezüglich des Auftre tens von Störungen infolge von Überströmen dieselbe Sicherheit gewährt wie 0,01 mm Krypton.
Um bei kaltem Zylinder die gleiche Belastbarkeit wie bei heissem Zylinder zu erreichen, braucht also der Edelgasdruck nur einen Bruchteil des Quecksilberdampf druckes zu betragen, und zwar in dem vor stehend angegebenen Beispiel nur ein Fünf tel. Die Kryptonmenge, die bei kaltem Zy linder das ganze Vakuumgefäss erfüllt, kann dann bei heissem Zylinder, z. B. bei einer Temperatur von 90 bis 95 auf zirka ein Fünftel ihres Volumens zusammengedrängt werden. Hiernach ist die Grösse des abge- trennten Sammelraumes für -das Edelgas zu dimensionieren.
Bei Verwendung von Teilhülsen vor den in den Anodenschutzrohren befindlichen Anoden ist der Gas- bezw. Dampfdruck der art zu bemessen, dass er oberhalb der Grenze liegt, bei welcher der von dem Gas- oder Dampfdruck abhängige Sättigungsstrom pro Teilhülse seinen Höchstwert erreicht. Unter Sättigungsstrom pro Teilhülse ist hierbei folgendes zu verstehen: Der - solange nicht alle Teilhülsen einer Anode Strom führen über eine Teilhülse mögliche grösste Strom wert steigt mit zunehmendem Gas- oder Dampfdruck, bis er bei einem bestimmten Gas- oder Dampfdruck ein Maximum er reicht. Oberhalb dieses Gas- oder Dampf druckes sinkt er dann wieder.
Diese maxi male Stromstärke ist als Sättigungsstrom bezeichnet. Bei geeigneter Bemessung des Gas- bezw. Dampfdruckes und der Teilhül- senabmessungen kann man erreichen., dass die Strombelastbarkeit der Anoden bis zu der Grenze ausgenutzt wird, die durch die thermische Belastbarkeit der Anodenober fläche gegeben ist.
Der Edelgasdruck wird auf Grund der vorstehend angegebenen Überlegungen inner halb des in dem Hauptpatent angegebenen Grössenbereiches nach den Spannungen bezw. Stromstärken bemessen, die der Apparat be herrschen soll. Allgemein kann gesagt wer den, dass der Gasdruck um so höher gewählt werden muss, je grössere Spitzen der Strom dichte an .der Anodenoberfläche zugelassen werden, und umso niedriger, je höher die Sperrspannung ist, doch kann der höheren Sperrspannung statt durch Erniedrigen des Gasdruckes auch durch Verengen des Teil hülsenquerschnittes begegnet werden.
Anhand der beiliegenden Zeichnungen soll die Erfindung näher erläutert werden. Fix. 1 stellt einen Quecksilberdampf gleichrichter im Längsschnitt dar, bei dem eine Kühlung mit Luft oder einem anderen gasförmigen Medium vorgesehen ist; Fig. 2 zeigt im Längsschnitt einen Quecksilberdampfgleichrichter mit Flüssig keitskühlung; Fig. 3 stellt einen Quecksilberdampf- gleichriehter ebenfalls mit Flüssigkeitsküh lung dar, jedoch mit einer von der Fig. 2 ab weichenden Ausführung der Kühlung.
In rAig. 1 ist 1 das eigentliche Vakuum gefäss aus Metall, das aber auch aus Glas bestehen kann. 2 ist eine Kathode aus reinem Quecksilber, das sich in einem Behälter 3 aus Isolationsmaterial befindet. Die Strom zuführung zu der Kathode erfolgt mittels des stromeinführenden Leiters 4, der mittels der Einführung 5 eingeführt wird und von einem Rohr 6 aus Isolationsmaterial umge ben ist. 7 sind die Anoden, die mittels des stromeinführenden Leiters 8 und der Ein führung 9 in bekannter Weise eingeführt werden.
Dien Anoden 7, die von - Anoden schutzrohren 10 umgeben werden, sind die Teilhülsen 11 vorgelagert, die an den Ano- denschutzrohren 10 befestigt sind. Im In nern des Gefässes 1 befindet, sich ein koni scher Schirm 12, der an. den Anodenschutz rohren in geeigneter Weise, z. B. durch Lö ten, befestigt ist, für den aber auch beson dere Tragmittel vorgesehen werden können. Zwischen dem Schirmrand und den Aussen wandungen des Gefässes ist ein Kanal 13 vorgesehen. Ferner ist am Scheitelpunkt des Schirmes eine Ringöffnung 14 vorhanden. Der Schirm 12 kann aber auch bis an- die Gefässwandungen herangeführt werden.
In seinem obern Teil müssen dann den Kanälen 13 entsprechende Öffnungen vorgesehen wer den. Ebenso kann auch die Ringöffnung 14 durch einzelne Löcher am untern Teil des Schirmes ersetzt werden. Die Ringöffnung 14 ist durch eine Blende 15 gegen den, un mittelbaren Strom des aus der Kathode 2 aufsteigenden Quecksilberdampfes abgedeckt. Diese Blende 1,5 wird von einem Rohr 16 getragen, kann aber auch in anderer Weise befestigt werden. Das Gefäss ist von einem Kühlmantel 17 umgeben, durch den ein Ventilator 18 ein gasförmiges Kühlmittel, z. B.
Luft, von oben.nach unten saugt, so dass die obern Teile des Gefässes stärker als die untern gekühlt werden. Um die ver stärkte Kühlung des obern Gefässteils zu unterstützen, sind die Anoden verhältnis mässig nahe .dem Boden des Gefässes angeord net, so dass; der an den Anoden frei werdende erhebliche Anteil der Verlustwärme vor zugsweise an den untern Teil des Gefässes abgegeben wird.
Der obere Teil bleibt in folgedessen verhältnismässig kühl, und es kann mit relativ kleiner Kühlwirkung der durch die kühlste Stelle des Gefässes be stimmte Quecksilberdampfdruck beherrscht werden.
In dass Gefäss ist ein Edelgas, vorzugs weise Krypton, mit einem Druck von bei spielsweise 0,04 mm Hg.-Säule eingefüllt.
Bei der Inbetriebnahme füllt zunächst das Krypton das ganze Gefäss, aus, so dass auch bei kaltem Gefäss die für den Betrieb erforderlichen Druckverhältnisse in dem Ge fäss vorhanden sind. Sobald nun mit zuneh mender Erwärmung der Quecksilberdampf druck in der Umgebung der Anoden einen Wert von zirka 0,2 mm Hg.-Säule erreicht hat, wird der Ventilatormotor 18 eingeschal tet.
Durch die stärkere Kühlung der obern Teile des Gefässes und insbesondere durch die starke Erwärmung der den Anodenrohren 9 gegenüberliegenden Wandteile 19 wird ständig eine Quecksilberdampfströmung er- zeugt, welche von der Kathode aus an den Wandungen 19 entlang zu dem obern Teil der Gefässwandungen verläuft, wo das Quecksilber kondensiert. Infolge dieser Strö mung wird das Krypton allmählich mit zu nehmender Erwärmung durch den Kanal 13 in den von dem Schirm 12 abgegrenzten Raum getrieben.
Durch die von der Blende 15 abgedeckte Ringöffnung 14 tritt hierbei während des Betriebes ständig Krypton ge mischt mit Quecksilberdampf aus. Dieses austretende Gasgemisch wird durch den un mittelbar von der Kathode 2 aufsteigenden Dampfstrom an der kühlen Schrägwandung des Schirmes 12 entlang geführt., wodurch der Quecksilberdampfdruck in diesem Gas gemisch auf den der Gastemperatur entspre chenden Sättigungswert herabgesetzt wird. Das Gasgemisch strömt dann wieder in den durch den Schirm abgegrenzten Raumteil.
Auf diese Weise wird verhindert, dass' sich mit dem Krypton grössere Mengen Queck silberdampf mischen, welches dadurch an der Kondensation behindert werden würde.
Die Ausführung gemäss Fig. 2 unter scheidet sich von derjenigen gemäss der Fig. 1 nur dadurch, dass an Stelle einer Küh lung mit einem gasförmigen Medium eine Flüssigkeitskühlung benutzt wird. Um eine verschiedene. Kühlung des Oberteils und des Unterteils des Gefässes zu erzielen, ist der das Gefäss 1 umgebende Kühlraum in einen Oberteil 20 und einen Unterteil 21 unter teilt.
Als Kühlflüssigkeit wird vorteilhaft bei einem metallenen Vakuumgefäss eine solche verwendet, die wenig oder keine freien Wasserstoffionen enthält bezw.. abgeben kann, z. B. Tetrachlorkohlenstoff. Die Küh ler sind als Siedekühler ausgeführt, und zwar ist für den Kühlraum 20 die Rück kühleinrichtung 22 und für den Kühlraum 21 die Rückkühleinrichtung 23 vorgesehen. Die Rückkühler sind durch die Rohrleitun gen 24 bezw. 25 mit den Kühlräumen ver bunden und bestehen aus blind endenden Kühlrohren.
Die siedende Kühlflüssigkeit strömt dann durch die Verbindungsleitungen in die Siedekühlerrohre ein, kondensiert in diesen und fliesst am Boden der Rohre 24 bezw. 25 in die Kühlräume 20 und<B>21</B> zu rück. Zur Kühlung der Rückkühler 22. und 23 ist ein Führungsschacht 2,6 vorgesehen, durch den mittels eines Ventilators 2,7 Luft oder ein anderes gasförmiges Kühlmittel ge saugt wird. Die Strömungsrichtung des Kühlmittels ist hierbei derart gewählt, dass der Rückkühler 22 zuerst von der Frisch luft erreicht wird, so dass er stärker als der Rückkühler 23 gekühlt wird.
Bei der Ausführung gemäss Fig.3 sind die Rückkühler für die beiden Kühlräume 2,0 und 2,1 nicht in einem gemeinsamen Schacht 2,6 untergebracht, sondern für den Rückkühler 22 ist ein Schacht 2.8, sowie ein Ventilatormotor 29 und für den Rückkühler 23 ein Schacht 30, sowie ein Ventilatormotor 31 vorgesehen. Der Ventilator 29 ist dauernd in Betrieb, so dass der obere Kühlraum stän dig gekühlt wird, während der Ventilator 31 in Abhängigkeit von der Temperatur, die der Kühlraum 21 unter dem E.influss der Belastung annimmt, ein- und ausgeschaltet wird.
Man erreicht hierdurch"dass der obere Kühlraum 2!0 dauernd auf einer niedrigen Temperatur bleibt, so dass eine sichere Tren nung von Edelgas und Quecksilberdampf gewährleistet wird, solange von der Kathode in Richtung nach dem obern Kühlraum 20 ein Dampfstrom ausgeht, während ,der Venti lator 31 nur dann arbeitet, wenn der untere Kühlraum 21 eine zu hohe Temperatur an nimmt, wenn also in der Umgebung der Ano den der Quecksilberdampfdruck auf unzu lässig hohe Werte ansteigt.
Im übrigen stimmt die Ausführung ge mäss Fig. 3 mit derjenigen gemäss Fig. 2 überein.
Bei sämtlichen dargestellten Ausfüh rungsformen sammelt sich also infolge der Wirkung der von einem Quecksilberspiegel, insbesondere von der Kathode ausgehenden Queeksilberdampfströme,das Edelgas indem obersten Teil des Gefässes, so dass sich die Anoden nicht mehr während des Betriebes m einer Edelgasatmosphäre, sondern in Ka- thodennnähe in der Quecksilberdampfatmo- sphä.re befinden.
Dies hat auch noch den be- sondern Vorteil, dass man infolge der kurzen Lichtbogenwege zwischen Kathode und Anode sehr niedrige Spannungsabfälle er reicht.
Bei -der Ausführung gemäss Fig. 2 kann man Mittel vorsehen, um,den Kühlluftstrom so umzuleiten, dass der obere Rückkühler 2:2 dauernd gekühlt wird, während der untere Rückkühler nur zeitweilig von dem Kühl luftstrom getroffen wird.
Weiterhin ist es auch unter Umständen möglich, durch Leitbleche den Quecksilber dampfstrom so zu führen, dass das Edelgas in gewünschter Weise verdrängt wird, ohne dass eine verschiedene Kühlung der Gefäss teile erfolgt, gegebenenfalls können auch beide Mittel miteinander kombiniert weiden.