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Wärmeschalter mit Glimmentladung Die Erfindung bezieht sich auf Wärmeschalter,
insbesondere auf Schalter mit einem thermisch beeinflußbaren Teil, der durch die
von, einer elektrischen Gasentladung erzeugte Wärme betätigt wird. Schalter dieser
Art sind in der amerikanischen Patentschrift 2332809 und in einer weiteren Ausführung
in der amerikanischen Patentschrift 2280550 beschrieben. Diese Schalter weisen
eine im allgemeinen feststehende Elektrode und eine auf Wärmewirkung ansprechende,
bimetallische Elektrode auf und sind derart ausgebildet und angeordL riet, daß die
zwischen den Elektroden übergehende Entladung gelöscht wird, wenn der sie trennende
Spalt bei Erwärmung durch die Entladung geschlossen wird. Bei der Abkühlung geht
die Bimeta.llelektrode in ihre ursprüngliche, von der festen Elektrode entfernte
Lage zurück. Diese Schalter werden in der Technik zur Steuerung der Zündung elektrischer
Gasentladungslampen mit positiver Säule benutzt, welche Elektroden enthalten, die
ein Erhitzen vor der Zündung einer zwischen ihnen übergehenden Entladung erfordern.
Der Schalter ist dabei an die eine Klemme einer jeden Lampenelektrode angeschlossen
und die andere Klemme einer jeden Lampenelektrode ist mit einer Klemme einer Wechse,lstromquelle
technisch üblicher Frequenz verbunden, während eine Induktanz zwischen eine Klemme
der Wechselstromquelle und eine Elektrodenklemme eingeschaltet ist. Wenn Spannung
an den Stromkreis gelegt wird, setzt die Glimmentladung in dem Schalter ein, und
der Spalt zwischen den Schalterelektroden wird durch Biegung der BimetalIelektrode
geschlossen, was das Erlöschen der Glimmentladung zur Folge
hat
und dien Durchgang eines stärkeren Heizstromes durch die vom Schalter in Reihe über
die Klemmen der Wechselstromquelle verbundenen Lampenelektroden ermöglicht. Das
Erlöschen der Glimmentladung gestattet gleichzeitig der Biimetallelektrode, sich
abzukühlen und sich in ihre von der Gegenelektrode entfernte Ausgangslage zurückzubiegen,
wodurch die Reihenschaltung zwischen dien nunmehr auf ihre Betriebstemperatur erhitzten
Lampenelektroden unterbrochen und der Lampe die durch die Induktanz erzeugte kurzzeitigeSpannungswelle
aufgedrückt wird. Nach Inbetriebsetzung der Lampe liegt am Schalter lediglich die
Betriebsspannung der Lampe, die wesentlich niedriger als die Spannung .der Stromquelle
ist.
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Bei diesen Stromkreisen muß naturgemäß die für die Zündung der Entladung
in dem.Wärmeschalter erforderliche Spannung, die man als Zündspannung des Schalters
bezeichnen kann, niedriger als die Spannung der Stromquelle upd höher als .die Betriebsspannung
der Lampe sein, wenn der Sehalter mit Erfolg .die Lampe anlassen soll, ohne deren
Arbeiten nach dien Zündren zu unterbrechen. Die Zündspannung eines derartigen Schalters
hängt dabei von dem benutzten ionisierbaren Gas, dem Gasdruck, der Austrittsarbeit
der Elektrodenoberfläche und dem Abstand der Elektroden ab.
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Wie sich gezeigt hat, ist diese Zündspannung häufig zu hoch oder zu
niedrig trotz der sorgfältigsten Beobachtung der für sie genannten. Faktoren bei
der Herstellung des Schalters. Untersuchungen haben ergeben, daß die Ursache dieser
Schwierigkeit darin liegt, daß die Bimetallefektrode mit ihrem freien Ende in solcher
Lage zur festen Elektrode angeordnet ist, daß ihre durch die Änderungen der Raumtemperatur
hervorgerufenen Bewegungen ihren Abstand von der Gegenelektrode ändern, wodurch
sich dann ihrerseits die Zündspannung des Schalters ändert. Ist beispielsweise der
Abstand des freien Endres der Bimetallelektrode von der Gegenelektrode so bemessen,
daß die gewünschte Zündspannung bei einer Umgebungstemperatur von etwa 25° erreicht
wird, so ist er erheblich geringer, wenn die Raumtemperatur ungefähr ioo° ist, und
entsprechend ist dne Zündspannung des Schalters niedriger. Außerdem geht man bei
der Herstellung dies Schalters gewöhnlich so vor, daß man den Abstand der Elektroden
vor dem Abdichten des Kolbens festlegt. Die Erhitzung der Schalterteile infolge
der Erwärmung beim Abdichten biegt jedoch die Bimetallelektrode, und diese drückt
dabei häufig mit solcher Kraft auf die Gegenelektrode, daß ihre Form geändert wird.
Bei der Abkühlung der Bimetallelektrode ist dann, der Abstand der Elektrodeal größer
als ursprünglich, und die Zündspannung des fertigen Schalters ist höher als gewünscht.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ehren Wärmeschalter
mit Glimmentladung zu schaffen, bei welchem diese Schwierigkeiten vermieden sind.
Im besonderen bezweckt die Erfindung einen Wärmeschalter mit elektrischer Gasentladung
so zu vervollkommnen, daß die Zündspannung nicht durch beim Gebrauch des Schalters
auftretende Änderung der Raumtemperatur beeinflußt wird. Weiterhin ist es ein Ziel
der Erfindung, die Bauart derartiger Schalter zu vereinfachen und ihre Herstellungskosten
auf ein Mindestmaß zu bringen.
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Nach der Erfindung wird ein diesen Anforderungen genügender Wärmeschalter
mit Glimmentladung dadurch erhalten, daß seine Elektroden so gebaut und angeordnet
werden, daß der kleinste Spalt zwischen ihnen weder geschlossen noch in der Größe
merklich geändert wird, wenn die Bimetallelektrode sich in Abhängigkeit von Änderungen
der Raumtemperaturen verbiegt, die beim Gebrauch dies Schalters auftreten. Dieser
Spalt wird als unveränderlicher Spalt bezeichnet, zum Unterschied von dem beim Auftreten
einer Entladung zwischen den Elektroden durch die Biegung der Bimetallelektrode
geschlossenen Elektrodenspalt, den man seinem Wesen nach Kontaktspalt nennen kann.
Hierdurch wird! die Zündung des Schalters von den Änderungen der Raumtemperatur
über einen vorbestimmten Bereich hin unabhängig. Dieser Änderungsbereich der Raumtemperatur
kann entsprechend den bei der Herstellung und der Benutzung des Schalters auftretenden
Temperaturändierungen gewählt werden, um die den früheren Schaltern dieser Art eigenen
Mängel zu vermeiden.
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Die Zeichnung veranschaulicht Ausführungsbeispiele des Glimmwärmeschalters
nach der Erfindung.
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Fig. i .ist eine schaubildliche Darstellung eines solchen Schalters;
Fig. 2 ist eine seitliche Teilansicht des Schalters nach Fig. i, und Fig. 3 eine
ähnliche Ansicht einer abgeänderten Ausführungsform; Fig. 4 ist eine schaubildliche
Wiedergabe eines erfindungsgemäß ausgebildeten und angeordneten Elektrodenpaares
einer weiteren Ausführungsform.
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Der Wärmeschalter nach Fig. i und 2 besteht aus einem luftdicht zugeschmolzenen
Glaskolben io mit einem nach innen vorstehenden Quetschfuß 12, durch den zwei Stromführungsleitungen
13 und 14 .luftdicht hindurchgeführt sind. Der Fuß 12 ist mit einem Entlüftungsröhrchen
15 versehen, durch das der Kolben bei der Herstellung des Schalters evakuiert und
mit dem gewünschten ionisierbaren Gas gefüllt wird. Eine U-förmige Elektrode 18,
die ein auf Wärme ansprechendes Bimetallglied aufweist, ist am einen Endre mit einem
Träger 16, z. B. einem Nickelstab, verschweißt, der mit der Zuleitung 14 verbunden,
ist. Das freie Ende der Elektrode 18 liegt zwischen diesem Träger 16 und, der Gegenelektrode
17 und endet nahe dem Ende der Quetschung des Fußes 12 und dem unteren Teil der
länglichen Elektrode 17. Die Gegenelektrode 17 umfaßt einen Metallstab, z. B. einen
Nickelstab, der mit der Zuführungsleitung 13 verbunden ist. Ein hitzebeständiger
Metallkontakt i9, z. B. ein Molybdänstab, ist an die Bimetallelektrode 18 nahe oder
an ihrem Ende und an ihrer der Elektrode 17 zugekehrten Seitenfläche angeschweißt.
Der Kolben io enthält ein ionisierbares Gas, wie z. B. Argon bei einem Druck von
ungefähr 25 mm oder Helium bei einem
Druck von ioo mm oder ein Gemisch
von Helium und o,oi bis S O/o Argon hei einem Druck von etwa 1 oo mm.
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Die U-förmige Elektrode i8 weist zwei Streifen aus Metallen mit verschiedenen
.linearen Ausdehnungszahlen auf, die fest miteinander verbunden sind, z. B. durch
Verschweißen. Der innen liegende Streifen hat eine größere Ausdehnungszahl als.
der außen liegende Streifen, so daß sich das freie Ende der Elektrode 18 mit zunehmender
Temperatur nach der Elektrode 17 hin bewegt und bei abnehmender Temperatur von dieser
entfernt. Der innere Streifen der Bimetallelektrode 18 kann vorzugsweise aus einer
Clirom-Eisen-Legierung und' der äußere Streifen aus einer Nickel-Eisen-Legierung
bestehen. Es können aber auch andere Metalle oder Metallegierungen mit den gewünschten
Eigenschaften für die beiden Streifen der Bimetallelektrode 18 benutzt werden. Die
Elektrode 18 und der Kontakt icg werden mit einem Stoff von geringerer Austrittsarbeit,
wie z. B. Zink, überzogen, nachdem die beiden Streifen der Elektrode 18 miteinander
verschweißt worden sind und bevor die ganze El,elctrode 18 in den Kolben io eingebaut
wird.
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Die Oberfläche der Quetschung weist um die Elektrode 17 und den Träger
16 und zwischen diesen Teilen einen Überzug i i aus elektrisch leitfähigem Stoff,
wie z. B. gepulvertem Aluminium, auf, der auch den unteren, der Oberfläche der Quetschung
benachbarten Teil der Elektrode 17 und; des Trägers 16 bedeckt. Dieser Überzug wird
auf diesen Teilen vorzugsweise durch Aufstreichen eines Gemisches von Aluminiummetallpulver,
Amylacetat und Nitrocelluloselack während der Herstellung des Schalters und vor
dem i Einschmelzen dies Quetschfußes 12 in den Kolben io erzeugt. Der Überzug ii
bildet einen elektrisch leitenden Weg, der einen höheren Widerstand hat als der
Weg durch das ionisierte Gas und durch die Elektroden 17 und i8 des fertigen Schalters;
er soll die Zündspannung des Schalters im Dunkeln und bei Belichtung praktisch auf
dem gleichen Wert halten.
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Wie aus Fig. 2 näher ersichtlich, weist die U-förinige Bimetallelektrode
18 zwei an einen gebogenen Mittelteil sich anschließende Schenkel auf, von denen
der eine sich gegenüber dem anderen unter dem Einfluß der an der Elektrode 18 auftretenden
Temperaturänderungen frei bewegen kann. Wenn die Bimetallelektrode 18 sich biegt,
werden ihre Schenkel sich nach entgegengesetzten Richtungen zu verstellen suchen,
und ihr gebogener Mittelteil wird den Grad seiner Krümmung ändern. Infolgedessen
wird sich der Spalt zwischen dem gebogenen Mittelteil der Elektrode 18 und dem oberen
Endteil der Gegenelektrode 17 nicht schließen, wenn die Elektrode 18 sich auf Grund
einer Temperaturzunahme verbiegt, und daher ist dieser Spalt als unveränderlicher
Spalt zu bezeichnen, da seine Größen, änderung, wenn überhaupt eine auftritt, so
gering ist, daß ihre Einwirkung auf die Zündspannung des Schalters vernachlässigt
werden kann. Dadurch, daß der unveränderliche Spalt selbst bei einer Raumtemperatur
von etwa ioo° so eng wie oder enger als der Spalt zwischen dein Kontakt i9 und der
Elektrode 17, d. h. als der Kontaktspalt, gemacht wird, wird die Zündspannung des
Schalters bei normalen Temperaturen unterhalb von ioo° vom unveränderlichen Spalt
bestimmt und ist daher von den beim Gebrauch des Schalters auftretenden Änderungen
der Raumtemperatur unabhängig.
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Die angegebene Bauart des Wärmeschalters ist außerordentlich vorteilhaft,
wenn sich die Zündspannung des Schalters bei einer Abstandsänderung der Elektroden
steil ändert. Schalter, diie mit Argon bei einem Druck von ungefähr 25 mm oder mit
Helium bei einem Druck von etwa ioo mm gefüllt sind, weisen diese Eigenschaft auf
und lassen sich schwer mit einer gewünschten Zündspannung herstellen, wenn der Kontaktspalt
und nicht ein unveränderlicher Spalt die. Zündspannung des Schalters bestimmt. Die
Erfindung ermöglicht die Verwendung solcher Gase beim Bau von Schaltern mit einer
gewünschten Zündspannung. Wenn beispielsweise der unveränderliche: Spalt des beschriebenen
Schalters zwischen 0,12 und, o,5 mm beträgt und der Schalter mit Argon oder Helium
bei den angegebenen. Drükken gefüllt ist, liegt die Zündspannung zwischen 130 und
170 Volt. Solche Schalter werden mit Erfolg in Lampenstromkreisen benutzt,
selbst wenn die Spannung der Stromquelle nur etwa 185 Volt beträgt und die Betriebsspannung
der Lampe angenähert 120 Volt ist.
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Die in Fig.3 wiedergegebene Elektroden- und Quetschfußbauart unterscheidet
sich von der Ausführung nach Fig., 2 dadurch, daß die Elektrode 17 an ihrem oberen
Ende verlängert ist und mit einem abgewinkelten Stück 21 den Scheitel des gebogenen
Mittelteils der Elektrode 18 übergreift. Im übrigen ist die Ausführung nach Fig.
3 die gleiche wie bei Fig..i und 2. Der kleinste Spalt zwischen den Elektroden 17
und 18, der etwa 0,12 bis 0,5 mm beträgt und dien: unveränderlichen Spalt
darstellt, liegt zwischen dem Scheitel des gebogenen. Mittelteiles der Elektrode
18 und der abgewinkelten Verlängerung 21 der Elektrode 17.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schalter ergibt sich dadurch,
daß der gebogene Mittelteil der Bimetallelektrode 18 durch die Glimmentladung, welche
die eng benachbarte Elektrode 17 bedeckt, stärker aufgeheizt wird, wodurch das Schließen
des Kontaktspaltes beim Betrieb des Schalters beschleunigt wird.
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Die in Fig. 4 veranschaulichten Elektroden, die ähnlich den in der
amerikanischen Patentschrift 228055o beschriebenen Elektroden ausgebildet sind,
weisen eine Bimetallelektrode 22 auf, welche bei ihrer Biegung den nasenförmigen.
Teil 23 eines an ihr angebrachten: Kontaktes 24 gegen die zwischen ihren Schenkeln
angeordnete Gegenelektrode 25 bewegt, wenn sie durch eine zwischen ihr und der Gegenelektrode
übergehende Glimmentladung erhitzt wird'. Die Elektrode 22 ist am einen Ende mit
der Stromzuleitung 26 verschweißt, deren oberer Teil 27 derart umgebogen ist, daß
er sich parallel zur Elektrode 25 erstreckt. Der Teil 27 ist daher
ein Teil der Elektrode22. Der Spalt zwischen der festen
Gegenelektrode
25 und dem Teil 27 ist bei Raumtemperaturen bis etwa ioo° kleiner als der Spalt
zwischen dem Kontakt 24 und der Elektrode 25 und verändert seine Größe nicht bei
Änderungen der Raumtemperatur. Auf diese Weise ist die Zündspannung eines Schalters
solcher Bauart von den im Gebrauch auftretenden Änderungen der Umgebungstemperatur
unabhängig.
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Der zugeschmolzene Glaskolben und der damit verschmolzene Quetschfuß
sind in Fig. 4 zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen. Wie in, der amerikanischen
Patentschrift 228055o beschrieben, wird, wenn die Elektroden 25 und 22 m:it einem
Stoff von niedriger Austrittsarbeit, z. B. Magnesium, versehen sind und der zugeschmolzene
Glaskolben eine Gasfüllung aus einem Gemisch von Neon und etwa o, i bis 5% Argon
bei einem Druck von ungefähr 40 mm enthält, die Zündspannung des Schalters etwa
75 Volt betragen. Dieser Schalter läßt sich mit Vorteil in Stromkreisen mit einer
Stromquelle von i io bis 120 Volt und mit einer Lampe mit einer Betriebsspannung
von etwa 65 Volt benutzen.
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Zur Erzielung eines unveränderlichen Spaltes zwischen den Elektroden
können gegebenenfalls auch andere Mittel Verwendung finden. Beispielsweise kann
bei der Ausführung der Elektroden nach Fig. 4 der gerade Teil des Kontaktes 24 bei
den im Betriebe auftretenden Raumtemperaturen einen kleineren Abstand von der Gegenelektrode
25 aufweisen als die Oberfläche des nasenförmigen Teiles 23, oder eine in einem
solchen Abstand angeordnete Platte kann nahe der Mitte der festen ElektrOde 25 gegenüber
dem mit der Zuführung 26 verbundenen Schenkel der Elektrode 22 angeschweißt sein.
Gegebenenfalls kann auch ein radioaktiver Stoff, wie z. B. Uranoxyd, Thoriumverbindungen
o. dgl., im Schalterkolben benutzt werden, damit die Zündspannung des Schalters
im Dunkeln und bei Belichtung praktisch dieselbe ist, oder die Hülle kann Uranglas
enthalten oder ganz oder zum Teil aus Uranglas bestehen. Der Überzug i i kann fortfallen
oder beibehalten werden, wenn man solche Stoffe oder dieses Glas benutzt. Ein Betrag
von feinverteiltern radioaktiven Uranoxyd an der Innenfläche des dem Quetschfuß
gegenüberliegenden Endes des Kolbens hat sich für den angegebenen Zweck bewährt.
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An Stelle der angeführten Gase oder Gasgemische können auch andere
Gase oder Gasmischungen bei den entsprechenden Drücken im Kolben verwendet werden,
und ebenso können auch andere Stoffe von niedriger Austrittsarbeit an den Elektroden
vorgesehen werden; die Größe des unveränderlichen Spaltes zwischen den Elektroden
kann zur Erzielung einer gewünschten Zündspannung der beschriebenen Schalter verändert
werden.
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Wie ersichtlich, ergibt die Erfindung einen Wärmeschalter mit Glimmentladung,
der neben einer festen Elektrode eine auf Wärme ansprechende Bimetallelektrode aufweist,
welche ein sich inne.rha,lb eines vorbestimmten Temperaturbereichs ohne Beeinflussung
der Zündspannung des Schalters gegenüber der anderen Elektrode bewegliches Ende
aufweist. :