Appareil à décharge électrique à vapeur métallique. La présente invention a pour objet un appareil à décharge électrique à vapeur mé tallique, du type comprenant une cathode constituée par une nappe de liquide métalli que susceptible d'être évaporé pour permet tre l'amorçage d'un arc à partir de cette ca- thdde, notamment -an redresseur à arc à va peur de mercure.
Ces appareils exigent d'ordinaire, à l'in térieur d'une enveloppe qu'ils comprennent, un espace intérieur considérablement plus grand que cela ne serait nécessaire pour loger les électrodes et pour le parcours de l'arc, ce qui augmente l'encombrement, 1e poids et, par conséquent, le prix de ces appareils. Ce grand espace est nécessité par l'intense évaporation du mercure produite par son échauffement à la tache cathodique, c'est-à-dire au point. de la nappe de liquide auquel l'arc aboutit.
La présente invention a pour but de four nir-un appareil du type spécifié comprenant des moyens efficaces pour refroidir le liquide métallique à l'endroit de la tache cathodique, de manière à en réduire l'évaporation et à permettre ainsi de réduire les dimensions de l'appareil, sans qu'il soit nécessaire d'utiliser des moyens internes de refroidissement.
La présente invention est caractérisée en ce qu'au moins une partie supérieure, en con tact avec un bord de la surface dudit liquide, de la surface intérieure du récipient conte nant ladite nappe est faite d'un métal au con- tact duquel ledit liquide forme un ménisque concave, ce métal étant capable de résister audit arc et à un bombardement ionique à partir du liquide sans se désagréger dans les conditions de fonctionnement de l'appareil, et en ce qu'une surface extérieure audit réci pient et capable de dissiper de la chaleur est reliée à cette partie de la surface intérieure, à travers celle-ci et par un court chemin mé tallique de transfert de chaleur.
En pratique, lorsqu'on utilise une cathode constituée par une nappe de mercure, le mo lybdène ou le tungstène est utilisé pour con fectionner le récipient à mercure. Ces métaux sont en effet capables de résister à l'arc et sont mouillés par le mercure, qui forme un ménisque concave à leur contact.
Lorsque aucune partie ne fait saillie à l'intérieur du mercure, l'arc se fixe naturellement sur le bord du ménisque concave du mercure et de meure fixé sur la surface mouillée par ce lui-ci. La surface extérieure du récipient à mercure est conformée de manière à présen ter des surfaces capables de dissiper de la chaleur ou est directement reliée à de telles surfaces de refroidissement,
de manière que le transfert de chaleur s'effectue selon un chemin extrêmement court, correspondant à peu près à l'épaisseur de la paroi du réci pient à mercure, ce qui contribue, conjointe ment avec la répartition de la tache cathodi que sur un grand périmètre, à réduire l'échauffement à la tache cathodique et à di- minuer, voire même à supprimer, l'é-vapora- tion du mercure.
Le dessin annexé représente, schématique ment et à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution de l'appareil objet de la présente invention. La fig. 1 représente un type connu de re dresseur à vapeur de mercure à enveloppe de verre, avec dispositif de fixation de l'arc au centre de la nappe de mercure.
Les fig. 2 et 3 représentent deux variantes d'une forme d'exécution comportant un réci pient métallique fixé à une enveloppe de verre. La fig. 4 représente partiellement une forme d'exécution à enveloppe métallique sans contact métallique entre cette enveloppe et la cathode.
La fig. 5 représente une troisième forme d'exécution comprenant un récipient à mer cure présentant une rigole annulaire pour le mercure et une surface supplémentaire de fixation de l'arc.
La fig. 6 montre une variante de la troi sième forme d'exécution comprenant, en com binaison, une cuvette centrale et une rigole annulaire avec une surface supplémentaire de fixation de l'arc.
Le redresseur à vapeur de mercure de type connu représenté à la fig. 1 est typique de la classe d'appareils à laquelle la présente invention se rapporte. Il comporte une enve loppe de verre 1 avec plusieurs bras latéraux 2, renfermant chacun une anode 3. La partie inférieure de l'enveloppe constitue un réci pient 49., rempli de mercure liquide 5. Dans les redresseurs connus de ce type, un dispo sitif de fixation de L'arc est parfois disposé dans la. nappe de mercure.
Dans le redresseur représenté, un tel dispositif est constitué par un ruban hélicoïdal 6, en molybdène ou en tungstène, qui est immergé au centre de la nappe de mercure et qui est supporté par une tige métallique 7, qui traverse le fond du ré cipient 4A et sert à relier la cathode au cir cuit électrique. L'enveloppe du redresseur est montée sur un support 28 et sa partie infé rieure est refroidie par un ventilateur 9. L'efficacité de ce refroidissement est toutefois limitée en raison de la faible conductibilité thermique du récipient en verre 4A et du chemin relativement long entre le dispositif de fixation de l'arc 6 et la surface extérieure refroidie du récipient 4A.
Les fig. 2 à 6, qui représentent des formes d'exécution de l'appareil objet de l'invention, ne montrent que les parties inférieures de l'enveloppe 1. Les anodes, l'amenée de cou rant à la cathode, le ventilateur ou autre dis positif de refroidissement ont été supprimés pour simplifier.
Dans une première forme d'exécution re présentée à la fig. 2, la cathode comprend un récipient 4, en molybdène oii en tungstène, en forme de cuvette, qui est scellé à une extré mité inférieure ouverte d'une enveloppe de verre 1 que comprend l'appareil. Ce récipient 4 est pourvu d'ailettes radiales 8, refroidies avec ou sans l'aide d'un ventilateur. La tache cathodique se fixe au bord du ménisque de mercure représenté en 5a et s'étend tout autour de ce ménisque. Un chemin de trans fert de chaleur extrêmement court est formé à partir de la région de fixation de l'arc et à travers l'épaisseur de la paroi du récipient 4 jusqu'aux ailettes 8.
Dans une variante de la première forme d'exécution, représentée à la fig. 3, les ailettes radiales 8 sont formées sur une bague séparée 10 en métal bon conducteur de la chaleur, tel que du cuivre, qui est soudée ou montée sur, le récipient .en molybdène ou en tungstène 4, de façon à assurer une surface de contact maximum entre cette bague et ce récipient. Dans cette variante, la cuvette 4 est de pré férence obtenue par emboutissage ou pressage, à partir d'un feuillard de molybdène ou de tungstène fritté.
Une deuxième forme d'exécution repré sentée à la fig. 4 comprend une enveloppe 1, faite entièrement en acier, et dont la partie inférieure constitue une chemise de refroi dissement 14 pour un récipient 4, en molyb- dène ou en tungstène, monté dans ladite en veloppe et isolé de celle-ci par une bague d'isolation étanche 15, constituée par du verre moulé sur place. La chemise 14 comporte une entrée 17 et une sortie 18 pour la circulation du fluide de refroidissement, qui peut être de l'air ou un liquide selon les courants électri ques entrant en ligne de compte, ce fluide traversant sous pression l'espace compris entre le récipient 4 et les parois de la chemise 14.
Afin d'empêcher tout contact métallique fortuit entre la cathode et l'enveloppe 1 du fait de dépôts de mercure sur le verre de la bague 15, un écran cylindrique 16 est formé sur cette bague et se termine par un flasqae- annulaire 19, s'étendant vers l'intérieur. Une troisième forme d'exécution repré sentée à la fig. 5 comprend un récipient 24, en molybdène ou en tungstène, dont le fond présente une partie centrale tronconique 25, s'étendant vers le haut. La surface supérieure plane de cette partie est recouverte de molyb dène ou de tungstène à l'état spongieux 26 et est disposée de manière à affleurer le mer cure.
Un mince film de mercure est retenu dans les interstices du métal spongieux 26, qui sert ainsi de surface supplémentaire pour la fixation de l'arc, en plus du bord périphé rique 5a mouillé par le mercure de la surface du récipient 24, lorsque l'intensité du courant électrique dépasse une certaine valeur. Une cuvette en cuivre 30 munie d'ailettes de re froidissement 8,. est soudée à l'extérieur du récipient 24 et de la partie centrale 25.
La fig. 6 représente une variante de cette troisième forme d'exécution. Dans cette va riante, la surface supplémentaire 36, en métal spongieux et servant à la fixation de l'arc, est de forme annulaire. Cette surface est ménagée sur une partie annulaire 35, s'étendant vers le haut à partir du fond du récipient 34 qui est en molybdène ou en tungstène. Comme dans la forme d'exécution représentée à la fig. 9, une cuvette 40 portant des ailettes de refroidissement 8 est ajustée et soudée aux surfaces extérieures du récipient 34 et de sR partie annulaire 35.
Bien que les formes d'exécution compre nant des ailettes 8 soient principalement des tinées à être refroidies par de l'air à l'aide d'un ventilateur disposé de préférence sous l'appareil, il est évident que les ailéttes peu vent aussi être entourées d'une chemise pour la circulation forcée ou par thermosiphon d'un agent réfrigérant liquide, en particulier lorsqu'on a affaire à de très forts courants électriques.
Grâce à l'extension de la tache cathodique et au raccourcissement du chemin de trans fert de chaleur jusqu'aux moyens extérieurs de refroidissement, la présente invention per met de réaliser des appareils à décharge élec trique à vapeur métallique moins encom brants, plus simples et meilleur marché pour une puissance de sortie donnée, ces appareils ne nécessitant ni dispositif interne de refroi dissement, ni écrans tels que ceux qu'on uti lise normalement pour protéger les anodes contre des jets de vapeur provenant de l'éva poration de liquide cathodique à la tache ca thodique.
Cette invention est applicable aux appareils à décharge électrique à vapeur mé tallique comprenant une enveloppe de verre, de métal ou une enveloppe composée, ces appareils pouvant comprendre un nombre d'anodes quelconque, avec ou sans grilles ou autres électrodes supplémentaires. Le terme de liquide cathodique ou mé tallique a trait aux conditions de fonction nement de l'appareil et s'étend par consé quent à d'autres substances que le mercure, normalement solides, mais qui se liquéfient aux températures de fonctionnement.
Le terme de soudure est utilisé dans son sens générique pour désigner une liaison intime obtenue par tout procédé approprié connu, tel que- la soudure molle, le brasage, la soudure autogène, etc. Finalement, grâce à la réduction ou à la suppression de l'évaporation du liquide ca thodique durant le fonctionnement de l'appa reil, le parcours de l'arc entre la cathode et la ou les anodes peut également- être réduit, ce qui entraîne une amélioration correspon dante du rendement de l'appareil.
Metal vapor electric discharge device. The present invention relates to an electrical discharge apparatus with metal vapor, of the type comprising a cathode constituted by a sheet of metallic liquid capable of being evaporated in order to allow the initiation of an arc from this cell. thdde, especially -an arc rectifier at va scared of mercury.
These devices usually require, within an enclosure which they include, an interior space considerably greater than would be necessary to house the electrodes and for the arc path, which increases the energy. bulk, weight and therefore the price of these devices. This large space is required by the intense evaporation of mercury produced by its heating at the cathode spot, that is to say at the point. of the sheet of liquid to which the arc ends.
The object of the present invention is to provide an apparatus of the type specified comprising effective means for cooling the metallic liquid at the location of the cathode spot, so as to reduce evaporation thereof and thus make it possible to reduce the dimensions of the cathode. the device, without the need for internal cooling means.
The present invention is characterized in that at least an upper part, in contact with an edge of the surface of said liquid, of the inner surface of the container containing said web is made of a metal with which said liquid contacts. forms a concave meniscus, this metal being capable of withstanding said arc and ion bombardment from the liquid without disintegrating under the operating conditions of the apparatus, and in that a surface external to said vessel and capable of dissipating heat is connected to this part of the interior surface, through it and by a short metal heat transfer path.
In practice, when a cathode formed by a sheet of mercury is used, mo lybdenum or tungsten is used to con fect the mercury container. These metals are indeed able to resist the arc and are wetted by the mercury, which forms a concave meniscus on contact.
When no part protrudes inside the mercury, the arc attaches naturally to the edge of the concave meniscus of the mercury and dies fixed to the surface wetted by it. The outer surface of the mercury container is shaped so as to have surfaces capable of dissipating heat or is directly connected to such cooling surfaces,
so that the heat transfer takes place in an extremely short path, corresponding approximately to the thickness of the wall of the mercury vessel, which contributes, together with the distribution of the cathode spot over a large perimeter, to reduce heating at the cathode spot and to reduce, or even eliminate, the e-vaporization of mercury.
The accompanying drawing shows, schematically and by way of example, several embodiments of the apparatus which is the subject of the present invention. Fig. 1 shows a known type of mercury vapor re-straightener with a glass envelope, with a device for fixing the arc to the center of the mercury layer.
Figs. 2 and 3 show two variants of an embodiment comprising a metal container fixed to a glass envelope. Fig. 4 partially shows an embodiment with a metal casing without metal contact between this casing and the cathode.
Fig. 5 shows a third embodiment comprising a sea cure container having an annular mercury channel and an additional arc fixing surface.
Fig. 6 shows a variant of the third embodiment comprising, in combination, a central bowl and an annular channel with an additional surface for fixing the arch.
The known type mercury vapor rectifier shown in FIG. 1 is typical of the class of apparatus to which the present invention relates. It comprises a glass casing 1 with several side arms 2, each enclosing an anode 3. The lower part of the casing constitutes a receptacle 49., filled with liquid mercury 5. In the known rectifiers of this type, a dispo The arc fixing device is sometimes placed in the. mercury slick.
In the rectifier shown, such a device consists of a helical strip 6, made of molybdenum or tungsten, which is immersed in the center of the mercury layer and which is supported by a metal rod 7, which passes through the bottom of the receptacle 4A and serves to connect the cathode to the electrical circuit. The casing of the rectifier is mounted on a support 28 and its lower part is cooled by a fan 9. The efficiency of this cooling is however limited due to the low thermal conductivity of the glass container 4A and the relatively long path between the arc fixing device 6 and the cooled outer surface of the container 4A.
Figs. 2 to 6, which represent embodiments of the apparatus which is the subject of the invention, show only the lower parts of the casing 1. The anodes, the current supply to the cathode, the fan or the like say positive cooling have been removed for simplicity.
In a first embodiment shown in FIG. 2, the cathode comprises a cup-shaped, molybdenum or tungsten container 4 which is sealed to an open lower end of a glass casing 1 which the apparatus comprises. This container 4 is provided with radial fins 8, cooled with or without the aid of a fan. The cathode spot attaches to the edge of the mercury meniscus shown in 5a and extends all around this meniscus. An extremely short heat transfer path is formed from the arc attachment region and through the wall thickness of the vessel 4 to the fins 8.
In a variant of the first embodiment, shown in FIG. 3, the radial fins 8 are formed on a separate ring 10 of a good heat conductive metal, such as copper, which is soldered or mounted on, the molybdenum or tungsten container 4, so as to ensure a surface of maximum contact between this ring and this receptacle. In this variant, the cup 4 is preferably obtained by stamping or pressing, from a strip of molybdenum or sintered tungsten.
A second embodiment shown in FIG. 4 comprises a casing 1, made entirely of steel, and the lower part of which constitutes a cooling jacket 14 for a receptacle 4, of molybdenum or of tungsten, mounted in said casing and isolated therefrom by a ring waterproof insulation 15, consisting of glass molded in place. The jacket 14 has an inlet 17 and an outlet 18 for the circulation of the cooling fluid, which may be air or a liquid depending on the electric currents entering into account, this fluid passing under pressure through the space between the container 4 and the walls of the jacket 14.
In order to prevent any fortuitous metallic contact between the cathode and the casing 1 due to mercury deposits on the glass of the ring 15, a cylindrical screen 16 is formed on this ring and ends in an annular flange 19, s 'extending inward. A third embodiment shown in FIG. 5 comprises a container 24, made of molybdenum or of tungsten, the bottom of which has a frustoconical central part 25, extending upwards. The flat upper surface of this part is covered with molybdenum or tungsten in the spongy state 26 and is arranged so as to be flush with the sea cure.
A thin film of mercury is retained in the interstices of the spongy metal 26, which thus serves as an additional surface for the attachment of the arc, in addition to the mercury-wetted peripheral edge 5a of the surface of the vessel 24, when the electric current intensity exceeds a certain value. A copper bowl 30 provided with cooling fins 8 ,. is welded to the outside of the container 24 and the central part 25.
Fig. 6 shows a variant of this third embodiment. In this variant, the additional surface 36, made of spongy metal and used for fixing the arch, is annular in shape. This surface is provided on an annular portion 35, extending upwardly from the bottom of the container 34 which is made of molybdenum or tungsten. As in the embodiment shown in FIG. 9, a bowl 40 carrying cooling fins 8 is fitted and welded to the outer surfaces of the container 34 and its annular portion 35.
Although the embodiments comprising fins 8 are mainly intended to be cooled by air using a fan preferably disposed under the apparatus, it is obvious that the fins can also be cooled. surrounded by a jacket for the forced circulation or by thermosiphon of a liquid refrigerant, in particular when dealing with very strong electric currents.
Thanks to the extension of the cathode spot and the shortening of the heat transfer path to the external cooling means, the present invention makes it possible to achieve less bulky, simpler and less bulky electrical discharge devices with metal vapor. cheaper for a given output power, since these devices do not require an internal cooling device or screens such as those normally used to protect the anodes against jets of vapor from the evaporation of cathodic liquid at the task ca thodic.
This invention is applicable to metal vapor electric discharge apparatus comprising a glass, metal or composite envelope, which apparatus may include any number of anodes, with or without grids or other additional electrodes. The term cathodic or metallic liquid relates to the operating conditions of the apparatus and therefore extends to substances other than mercury, which are normally solid but which liquefy at operating temperatures.
The term solder is used in its generic sense to denote an intimate bond obtained by any suitable known process, such as - soft soldering, brazing, autogenous soldering, etc. Finally, by reducing or eliminating the evaporation of the sodium hydroxide liquid during operation of the apparatus, the arc path between the cathode and the anode (s) can also be reduced, resulting in a corresponding improvement in the efficiency of the apparatus.