DE501404C - Elektrische Entladungsvorrichtung mit zwei nahe aneinander liegenden Elektroden, die sich teilweise beruehren, ohne dass ein nennenswerter Leitungsstrom an den Beruehrungsstellen uebergeht - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zur Hervorbringung elektrischer Entladungen und im besonderen auf Vorrich-• tungen zum Gleichrichten von Wechselstrom. Es ist Zweck der Erfindung, eine einfache und wirksame Entladevorrichtung zu schaffen, welche mit geringen Kosten hergestellt werden kann und zuverlässig arbeitet.

Es soll ferner eine Entladevorrichtung geschaffen werden, welche eine Anode und eine thermionisch wirksame Kathode besitzt, die voneinander durch einen sehr kleinen Spalt getrennt sind.

Schließlich soll die Vorrichtung für ihren Betrieb kein hochevakuiertes Gefäß benötigen. Es hat sich ergeben, daß durch einen genügend geringen Zwischenraum zwischen der Anode und der Kathode der Raumladungseffekt, welcher bei den Vorrichtungen der ao obengenannten Art auftritt, auf einen sehr geringen Wert herabgesetzt werden kann. Der geringe Zwischenraum wird dadurch möglich, daß eine Kathode verwendet wird, die eine zur Elektronenemission bei verhält- »5 nismäßig geringer Temperatur befähigte Oberfläche aufweist, und daß die Temperatur der ganzen Vorrichtung auf die erforderliche Betriebstemperatur gebracht wird. Dieser ausgedehnten Kathodenoberfläche steht eine gleichfalls ausgedehnte Oberfläche der Anode gegenüber, die aus einem Stoff besteht, dessen Emiissionstemperatur höher liegt als dieEmiissionstemperatur der Kathodenoberfläche.

Der geringe Raumladungseffekt, welcher durch den geringen Zwischenraum erreicht wird, gestattet ferner den Betrieb derartiger Vorrichtungen in Gasen mit verhältnismäßig hohem Druck, z. B. in der Größenordnung des Atmosphärendrucks, wodurch es möglich wird, Bauarten zu verwenden, die nicht an die strengen Erfordernisse der Vorrichtungen gebunden sind, welche mit Hochvakuum oder geringem Druck arbeiten.

In den Zeichnungen sind einige Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise dargestellt.

Fig. ι ist eine schematische Darstellung eines einzelligen Gleichrichters gemäß der Erfindung.

Fig. 2 ist eine ähnliche Darstellung wie Fig. ι und zeigt eine abgeänderte Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 3 ist eine vergrößerte Darstellung von Teilen der beiden in Fig. 2 dargestellten Elektroden und des dazwischen befindlichen Spaltes, und

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines mehrzelligen Gleichrichters gemäß der Erfindung.

In Fig. ι ist ein Gleichrichter mit einer flachen Kathode 2 dargestellt, die von einer ίο flachen Anode 4 mittels dünner Abstandhalter 3 aus Isoliermaterial, z. B. Glimmerstreifen, getrennt ist. Die Kathode besteht vorzugsweise aus einem Stoff mit verhältnismäßig hohem spezifischen Widerstand von der Größenordnung eines Ohms pro Kubikzentimeter. Es können Stoffe wie Carborund, hochohmige Oxyde oder zusammengesetzte Wideristandsmaterialien verwendet werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ao der Erfindung wird eine Kathode verwendet, welche aus einer Mischung von Kaolin, Carborund und Kienruß besteht, die in die Form von Platten gebracht und bei hoher Temperatur gebrannt ist. Die besondere Art des für die Kathode benutzten Stoffes ist jedoch für die Erfindung an sich nicht unbedingt erforderlich, und es können in ähnlicher Weise Metallelektroden, z. B. solche aus Nickel, verwendet werden.

Für die Anode 4 kann Metall, wie Molybdän oder Nickel, verwendet werden.

Die wirksame Oberfläche 5 der Kathode ist mit Oxyden bedeckt, welche bei geringen Temperaturen eine verhältnismäßig hohe Elektronenemission ergeben. Eine Mischung der Oxyde von Barium und Strontium bildet einen sehr guten Überzug für die Oberfläche der Kathode. Glühkathoden mit diesen Oxyden zur Erhöhung der Elektronenemission zu überziehen, ist an sich bekannt. Es kann auch eine Kathode verwendet werden, die aus einem zusammengesetzten Stoff besteht, der die Elektronen emittierenden Oxyde als einen Bestandteil enthält, z. B. eine Mischung von *5 Kaolin, Carborund, Kienruß und Oxyden von Barium und Strontium. Solche Kathoden und im allgemeinen Elektroden aus zusammengesetztem Stoff können mit großem Vorteil in anderen Entladevorrichtungen verwendet werden, wenn der spezifische Leitungswiderstand der Elektroden in einfacher Weise den besonderen Verwendungsarten angepaßt werden soll. Die beiden Elektroden 2 und 4 sind vorzugsweise in einer gasdichten Kammer 6 angeordnet, die isolierte Wände 7 aus hitzebeständigem Material aufweist. Die Rückseiten 8 der Elektroden haben einen guten elektrischen Kontakt mit den Kontaktstücken 9, die in der Kammer 6 vorgesehen sind und über die Sekundärwicklung 10 eines Speisetransformators 11 mit einer Gleichstrombelastung 12 verbunden sind. Um einen guten elektrischen Kontakt zu sichern, kann die Rückseite 8 der Elektroden mit einem metallischen oder gut leitenden Stoff bespritzt werden, der die Kontaktfläche für die Kontaktstücke 9 bildet.

Eine Heizspule 14, die in der Heizkammer 6 vorgesehen ist, kann über einen Verbindungsschalter 15 von einem Wechselstromnetz 16 gespeist werden, das gleichzeitig die Stromquelle für die Primärwicklung 17 des Transformators 11 bildet. Die Kammer ist vorzugsweise mit Gas gefüllt, welches annähernd unter Atmosphärendruck steht und keine Reaktionserscheinungen mit den Oxyden der Elektroden zeigt. Vorzugsweise werden Gase, wie Wasserstoff, Helium oder Stickstoff verwendet, aus Gründen, die im folgenden noch eingehender auseinandergesetzt werden.

Um den Gleichrichter in Betrieb zu setzen, wird die Heizspule unter Strom gesetzt und die Temperatur der Elektroden in der Kammer 6 zunächst auf etwa 700 ° bis 800 ° C gebracht. Bei dieser Temperatur sendet die Kathode reichlich Elektronen aus, und es fließt ein Strom von der Anode nach der Kathode. In der entgegengesetzten Richtung wirkt die Vorrichtung wie ein offener Stromkreis infolge der verschwindend kleinen Anzahl von Elektronen, die bei der obengenannten Temperatur von der Anode ausgesendet werden. Nachdem der Betrieb einmal eingeleitet ist, ist es möglich, den Heizstromkreis entweder mit Unterbrechungen oder dauernd zu öffnen, wobei die innere Erhitzung des Gleichrichters genügt, um die notwendige Temperatur aufrechtzuerhalten.

In Fig. 2 ist eine abgeänderte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der die wo Abstandhalter 3 aus Glimmer ganz vermieden 4H sind und die Kathode scheinbar in unmittel- ^ barer Berührung mit der Oberfläche der Anode steht. Tatsächlich ist jedoch die unmittelbare Berührung zwischen den beiden Elektroden auf eine sehr kleine Anzahl von Punkten 18 mit verhältnismäßig kleiner leitender Fläche beschränkt, wie es in der vergrößerten Darstellung der Fig. 3 ersichtlich ist, und die Flächen der beiden Elektroden sind zum größten Teil durch einen sehr kleinen Spalt voneinander getrennt. Infolge der Verwendung von Elektroden mit genügend hohem spezifischen Leitungswiderstand haben die wirklichen Berührungspunkte einen sehr hohen Widerstand, und sie wirken wie isolierende Abstandhalter.

Es sollen nun gewisse kennzeichnende Merkmale der Vorrichtung erörtert werden, und es soll auf die Theorie der Wirkungs- iao weise eingegangen werden, soweit diese gegenwärtig gegeben werden kann.

Die von der Kathodenoberfläche ausgesandten Elektronen bewegen sich unter der Wirkung der an die Elektroden angelegten elektromotorischen Kraft nach der Anode. Auf ihrem Wege können sich die Elektronen mit ungeladenen Gasmolekülen vereinigen und negative Ionen bilden. Die Stromleitung zwischen den beiden Elektroden hängt von der Anwesenheit von Elektronen oder ίο negativen Ionen in dem Zwischenraum zwischen den Elektroden ab und somit von der Wirkung der Kathode, fortgesetzt neue Elektronen oder Ionen zu erzeugen.

Es läßt sich zeigen, daß zwischen dem Abstand χ der beiden parallelen Elektroden, dem Strom i pro Flächeneinheit, dem Potential v, welches notwendig ist, um den Raumladungseffekt zu überwinden, welcher durch den den Strom i bildenden Ionenfluß verursacht wird, und der Beweglichkeit k der fe Ionen per Zentimeter pro Sekunde pro Ein-P heit des Potentialgradienten folgende Beziehung besteht:

2 τ /8 π j, 3

im elektrostatischen Maßsystem oder

ν = 3 · ι 10 k- i² x'¹ (2)

im praktischen oder gewöhnlichen Maßsystem In der obigen Gleichung ist das Potential ν proportional dem mit drei halben potenzierten Abstand x. Nimmt man für den Strom i einen Wert von 10 Milliampere pro Quadratzentimeter und für die Beweglichkeit k einen Wert von 1 cm pro Sekunde pro Volt pro Zentimeter an, so ergibt eich für den Abstand.*·

ii Volt, (3)
ν = 0,31 Volt und
# = io~-²cm v = 310 Volt.

Obwohl der angenommene Wert für die Beweglichkeit ziemlich klein ist, ist die Spannung an den Elektroden für einen geringen Abstand, wie er bei der Erfindung verwendet wird, von der Größenordnung eines Volt. Gase wie Wasserstoff oder Helium haben jedoch eine Beweglichkeit von der Größenordnung 6 Zentimeter pro Sekunde, und in anderen Gasen wie Argon oder Stickstoff Ast die Beweglichkeit der negativen Elektrizitätsträger noch viel höher, da die negativenElektrizitätsträger in solchen Gasen wahrscheinlich, wenigstens zum Teil, freie Elektronen sind. Infolgedessen wird die Spannung an den Elektroden, welche in solchen Gasen arbeiten, noch viel kleiner sein als der oben berechnete Wert oder, was dasselbe bedeutet, es können größere Zwischenräume verwendet werden, ohne die Spannung an den Elektroden zu vergrößern.

; = io~-⁶cm v = o,

Die besondere Anordnung des Gleichrichters ermöglicht den Betrieb bei Atmosphärendruck, vorausgesetzt, daß die höchste Gleichrichterspannung nicht über der geringsten Zündspannung für das Gas liegt, welche von der Größenordnung von einigen 100 Volt ist.

Es können Schwierigkeiten dabei entstehen, einen genügend kleinen Abstand zwisehen den Elektroden herzustellen. Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, werden Elektroden verwendet, welche aus einem Stoff mit verhältnismäßig großem spezifischem Leitungswiderstand bestehen, so daß eine leichte Berührung an wenigen Stellen keinen Kurzschluß bildet. Eine ähnliche Wirkung kann jedoch dadurch erreicht werden, daß ; reine Metallelektroden verwendet werden und die Oxydschicht auf der Kathode genügend dick und von genügend hohem spezifischem Leitungswiderstand gemacht wird, so daß ein vollkommener elektrischer Kontakt an einem zufälligen Berührungspunkt zwischen den beiden Elektroden vermieden wird.

Die Verwendung von Elektroden mit verhältnismäßig hohem Widerstand ist ferner vorteilhaft mit Rücksicht auf die ausgleichende Wirkung des Widerstandes, welcher bestrebt ist, den Strom über die ganze Elektrodenfläche gleichmäßig verteilt zu halten und der möglichen Neigung zur Bildung eines Lichtbogens zwischen den beiden Elektroden entgegenwirkt.

Die Betriebstemperatur wird vorzugsweise so hoch gehalten, daß die erforderliche thermionische Emission erreicht wird, um die Gefahr eines Lichtbogens infolge einer außergewöhnlich hef tigenEniiissian von einem Punkt der Elektrode aus zu vermeiden. Wie oben erwähnt, ist der von der Elektrodenfläche pro Quadratzentimeter geführte Strom verhältnismäßig gering. Die einfache Ausführung des Gleichrichters ermöglicht jedoch die Ver-Wendung von sehr großen Elektrodenflächen, indem mehrere parallel geschaltete Gleichrichterzellen angeordnet werden. Eine solche Ausführung ist in Fig. 4 dargestellt, in der mehrere Kathoden 2 paarweise mit no ihren entsprechenden Anoden 4 vereinigt und voneinander durch Abstandhalter 3 in derselben Weise wie in Fig. 1 getrennt sind. Die Kathoden und Anoden sind parallel an zwei Leiter 19 geschaltet, die als Klemmen des Gleichrichters dienen.

Die obige Anordnung nach Fig. 4 stellt eine sehr einfache Ausführung dar, bei welcher die Verwendung von gasdicht geschlossenen Gefäßen und Glashüllen vollkommen vermieden ist und die sich zum Bau von Gleichrichtern mit großer Leistung eignet.

Zur Gleichrichtung von hohen Spannungen können mehrere in Reihe geschaltete Gleichrichter verwendet werden.

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   i. Elektrische Entladungsvorrichtung mit zwei nahe aneinander liegenden Elektroden, die sich teilweise berühren, ohne daß ein nennenswerter Leitungsstrom an

   ίο den Berührungsstellen übergeht, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der mit ausgedehnten Oberflächen sich gegenüberstehenden Elektroden an ihrer Oberfläche aus einem Stoff besteht, der bei niedrigerer Temperatur als der Stoff der anderen Elektrode Elektronen aussendet, und daß ferner die Oberflächen so ausgebildet sind, daß sie sich an nur wenigen Punkten berühren und im übrigen einen so kleinen Abstand voneinander haben, daß in diesem Räume keine Ionisation auftritt und mindestens die Elektroden auf einer derartigen Temperatur gehalten werden, daß eine unipolare Leitung auftritt.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegtenjülberliiegenden., sich nicht berührenden Teile der Elektrodenflächen einen Abstand in der Größenordnung von io~² cm haben.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, insbesondere für Gleichrichterzwecke, gekennzeichnet durch eine Heizvorrichtung, die die Elektroden auf die erforderliche Temperatur bringt bzw. auf ihr erhält.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch l, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem die Elektroden enthaltenden Raum eine Gasfüllung von annähernd Atmosphärendruck vorgesehen ist.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Elektroden ganz oder in ihrer Oberfläche aus einem Material von hohem spezifischen Widerstand besteht, das aus einer Mischung eines im wesentlichen nicht leitenden Bindemittels mit einem nicht leitenden Füllstoff und einem leitenden Stoff zusammengesetzt ist.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Wider-Standsmaterial aus einer Mischung von Kaolin, Carborund und kohlenstoffhaltigen Stoffen zusammengesetzt ist.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zusammengesetzte Widerstandsmaterial Stoffe von hoher Elektronenemissionsfähigkeit enthält, insbesondere Oxyde der Erdalkalitnetalle.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen