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Metalldampfbogenlampe für Wechselstrombetrieb.
Die Erfindung bezieht sich auf Metalldampfbogenlampen für Wechselstrombetrieb mit Strom- durchgang in beiden Richtungen für Hoehdruckbetrieb.
Es sind elektrische Entladungsgefässe bekanntgeworden, in denen ein Weehselstrombogen zwischen besonders ausgebildeten Oxydglühkathoden dauernd in Betrieb gehalten werden kann. Diese Entladungsgefässe enthalten entweder permanente Gase oder Dämpfe, z. B. von Quecksilber, oder ein Gemisch von
Gasen und Dämpfen. Wie die Erfahrung zeigt, sind derartige Lampen den Anforderungen des Betriebes mit niedrigem Druck, elektrisch charakterisiert durch niedrige Bogenspannung, bei unter Umständen recht beträchtlichem Bogenstrom gut gewachsen. Der niedrige Bogen erfüllt den ganzen Rohrquerschnitt, und da der Spannungsabfall pro Zentimeter klein ist, so werden auch recht ausgedehnte Oxydkathoden gleichmässig als Fusspunkte des Bogens ausgenutzt.
Hieraus folgt eine gleichmässige geringe Beanspruchung der Glühkathoden, die bei Temperaturen über etwa 15000 schnell zerstört werden.
Wesentlich anders liegen die Verhältnisse jedoch bei Hochdruckbetrieb. Unter Hochdruckbetrieb bzw. unter Hochdruckbogen sollen nicht nur solche Bogen verstanden werden, bei welchen der manometrisch gemessene Druck in der Grössenordnung einer Atmosphäre ist. Es konnte experimentell gezeigt werden, dass ein Bogen in Kadmium-oder Zinkdämpfen schon bei einem Druck von 5 bis 10cm Hg-Säule die gleichen elektrischen Eigenschaften, das gleiche Aussehen und eine ähnliche Lichtintensität besitzt wie ein Quecksilberbogen bei zirka einer Atmosphäre. Es ist also richtiger, unter Hochdruckbogen einen solchen Bogen zu verstehen, bei welchem der Spannungsabfall pro Zentimeter des Bogens zirka 5 Volt überschreitet.
Beim Hochdruckbetrieb schnürt sich der Bogen auf einen Faden von einigen Quadratmillimetern Querschnitt zusammen und der Spannungsabfall pro Zentimeter Bogenlänge erreicht 5-10 Volt und darüber. Wegen dieses Umstandes hat auch der Fusspunkt des Bogens Neigung, sich auf kleine Teile der Glühkathode zu konzentrieren, die sich infolgedessen stärker erhitzen ; dadurch werden Elektroden emittiert, was die Konzentration noch weiter steigert. Um dieser Neigung entgegenzuwirken, muss man den Querwiderstand derartiger Kathoden erhöhen, was wiederum zu einer zusätzlichen Erhitzung der Elektroden führt.
Erfindungsgemäss wird die Überlastung der Glühelektroden im Hochdruckbogenbetrieb dadurch verhindert, dass bei Erreichen eines gewissen Druckes der Bogenfusspunkt selbsttätig zu einer zweiten Elektrode überwechselt, die "Massivelektrode" genannt werden soll. Diese Elektrode kann aus einer kleinen Kugel oder Scheibe aus einem Hartmetall bestehen. Beispielsweise kann man Wolfram, Tantal, Molybdän oder Niobium verwenden.
Ein Brenner, der nur zwei Massivelektroden der beschriebenen Art enthält, ist zum dauernden Brennen bei Wechselstrom fähig. Da aber ein Hochdruckbrenner nach der Zündung alle Phasen vom Niederdruck bis zum Hochdruck durchläuft, kann die äusserst starke Zerstäubung nicht verhindert werden, die bei Niederdruck auftritt und die die an die Massivelektroden angrenzenden Teile des Leuchtgefässes in Minuten vollkommen schwärzt. Anderseits ist aber keine Massivelektrode der beschriebenen Bauart gerade dem Hoehdruckbetrieb sehr gewachsen, denn gerade die grosse Konzentration der Stromdichte
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im Hochdruckbogen erzeugt im Bogenfusspunkt die hohen Temperaturen, die bei dem Hartmetall einer starken Elektronenemission entsprechen.
Diese hohen Temperaturen werden bei Wechselstrombogen durch Elektronenbombardement in der Anodenphase erzeugt, führen also nicht zur Zerstäubung. Der Kathodenfall wird aber durch die hohe Elektrodentemperatur entsprechend einer starken Elektronenemission so weit herabgedrückt, dass keine schnellen Ionen auftreten, die eine starke Zerstäubung verursachen können. Die bei hohen Temperaturen auftretende Verdampfung kann in entsprechend geringen
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Glühelektrode an sich bekannter Bauart, beispielsweise einer Oxydkathode oder einer einfachen Glühwendel, etwa aus Wolframdraht, und einer damit in elektrisch gut leitender Verbindung bestehenden Massivelektrode der beschriebenen Art gebildet werden.
Diese teilen sich in ihren Aufgaben in der Weise. dass bei Niederdruck die Glühelektrode, bei Hochdruck dagegen die Massivelektrode die Rolle der Bogenkathode übernimmt.
Dieses Überwechseln des Bogens kann durch äussere Schaltmassnahmen, beispielsweise durch Ausschalten der Glühelektroden in einer gewissen Druckphase, also bei einer gewissen Bogenspannung, erfolgen. Es kann aber auch selbsttätig auf die Weise bewirkt werden, dass die Glühelektroden sich um ein bestimmtes Mass weiter voneinander entfernt befinden als die Massivelektroden. Das Überwechseln wird dann erfolgen, wenn zwei Bedingungen erfüllt sind : Erstens muss die Erhitzung der Massivelektrode durch den Anodenfall, der sich bei höherem Druck in immer steigendem Mass auf dieser konzentriert und auch an sich anwächst, ein gewisses Mass erreicht haben. Diese Bedingung hat man durch Bemessung des Abstandes Glühelektrode-Massivelektrode sowie durch die Grösse der Massivelektrode in der Hand.
Um aber ein noch schärferes Mass des Druckes zur willkürlichen Bestimmung des Überspringens zu besitzen, kann der Spannungsabfall im Bogen zu Hilfe genommen werden : Man schaltet die Massivelektrode so mit der Glühelektrode zusammen, dass auch im Hochdruckbetrieb mindestens ein Teil des Bogenstromes diese durchfliesst. Hier muss ein zusätzlicher Spannungsabfall entstehen. Das Überwechseln wird dann erfolgen, wenn der Spannungsabfall im Lichtbogensäulenstück zwischen Glühkathode und Massivelektrode grösser geworden ist als der genannte zusätzliche Spannungsabfall, denn dann ergibt sich für den Bogen zwischen den Massivelektroden eine stabilere Brennlage. Der Wechselstrombogen springt also bei Erreichen eines bestimmten Druckes automatisch von den Glühelektroden auf die Massivelektroden über.
Das Überwechseln erfolgt bei um so höherem Druck, je kleiner der Abstand Massivelektrode-Glüh- kathode, und um so früher, je grösser der Widerstand der Glühelektrode ist. Durch passende Bemessung dieser beiden Bestimmungsstücke kann der Augenblick des Überspringens zu dem beliebigen Druck verschoben werden, und hiedurch hat man die Verminderung der Zerstäubung der Massivelektroden in weitgehendem Masse in der Hand. An Stelle des Druckes, der schwer zu messen ist, kann der Spannungabfall in der positiven Säule des Lichtbogens, d. h. die Klemmenspannung am Brenner als Mass des Druckes genommen werden. Bei je höherem Druck, d. h. bei je höherer Klemmenspannung das Überwechseln erfolgt, desto mehr werden die Massivelektroden geschont.
Die Fig. 1 zeigt eine Metalldampfbogenlampe gemäss der Erfindung. 1 ist das Leuchtgefäss zweckmässig aus Quarz oder hochschmelzenden Gläsern. 2, 3 und 4 sind die Glühelektroden, in Form von Glühwendeln dargestellt. 4 und 5 sind die Massivelektroden, in Form von Kugeln aus Hartmetall dargestellt. die an den Hartmetallstielen 6,7 von verringertem Querschnitt sitzen. Die Glühwendel 2, 3 und 4 sind mit den Einführungen 8, 9, 10 und 11 verbunden. Um die Glühelektroden herum befinden sich Metallhülsen 12 und 13, die gut an der Gefässwand anliegen.
Die in der linken Hälfte der Figur dargestellte Aus- führung entspricht vorzugsweise der Verwendung von schwer verdampfbaren, bei Zimmertemperatur festen Metallen, beispielsweise Kadmium oder Zink, während die rechte Hälfte der Figur eine Ausführung etwa für Quecksilber darstellt. Es kann aber auch beispielsweise Quecksilber in einem Brenner verwendet werden, dessen beide Hälften gemäss der linken Hälfte der Abbildung ausgeführt sind. Der die Glühelektrode umschliessende Teil des Brenners ist mit der Wärmeisolation 14 versehen. Diese besteht zweckmässig aus einer Isolierschicht 15, umgeben von einer Metallschelle 16.
In der rechten Hälfte der Fig. 1 ist das vorzugsweise flüssige Metall 17 in einem ringförmigen Wulst 18 zweckmässig mit einer verengten Öffnung nach der Seite des Leuchtgefässes 19 untergebracht. Der Stiel 6 trägt an dem Querträger 20, an welchem die inneren Enden der Glühwendel 2 und 3 befestigt sind, ein metallisches Verbindungsstück. beispielsweise einen federnden Draht 21, welcher die gleitende Verbindung der Massivelektrode mit der Metallhülse 12 herstellt.
Die Wirkungsweise der dargestellten Lampe ist wie folgt :
Die Zündung kann erfolgen durch Selbstzündung, Induktionszündung oder anziehende Spiralen.
Selbstzündung erfolgt vorzugsweise dadurch, dass die Metallhülse 12 mit dem darauf aufgedampften Beschlag des dampfbildenden Metalls 23 zum Träger einer Glimmentladung beim Anlegen der betriebs- mässigen oder einer etwas erhöhten Spannung wird. Diese Glimmentladung schlägt bei passender Be- messung der Gasfüllung, beispielsweise Edelgasfüllung, sofort in einen Bogen über. Der Bogenstrom durch- fliesst hiebei die Glühwendel 2 und (oder) 3, wodurch diese ins Glühen geraten und selber zu Glühkathoden
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werden. Hiemit ist die Zündung beendigt. In der gleichen Weise erfolgt die Zündung mittels Induktion, d. h. Anlegen vorzugsweise hochfrequenter Spannungen von aussen. Die dritte Art der Zündung besteht erfindungsgemäss in folgendem : Die Glühelektroden werden zunächst durch einen Heizstrom auf hohe Temperatur gebracht.
Dies kann erfolgen in an sich bekannter Weise durch einen Heiztransformator oder aber gemäss der Darstellung in Fig. 1 auf die Weise, dass die Glühwendel 2, 3 und 4 in Serie geschaltet und durch den Netzstrom angeheizt werden. Der bei 24 und 25 eintretende Netzstrom fliesst beispielsweise über den Vorschaltwiderstand 26 oder ein sonstiges Mittel zur Strombegrenzung über die Einschmelzung 18, das Glühwendel 3, das Glühwendel2, die Einschmelzung 9, den Schalter 27, die Einschmelzung 11, das Glühwendel 4, die Einschmelzung 10 zu dem Punkt 25.
Gemäss der Erfindung kann der Widerstand der Glühwendel so bemessen werden, dass bei Durchfliessen des hiebei auftretenden Stromes zwischen den Enden 28 und 29 bzw. 30 der Glühwendel ein so hoher Spannungsabfall entsteht, dass er zur Erzeugung einer halbselbständigen Entladung mit Ionenbildung zwischen den genannten Punkten ausreicht. Wie Versuche zeigen, tritt hiebei eine so starke lonenbildung auf, dass nach Öffnen des Schalters 27 augenscheinlich ein Bogen zwischen den beiden Glühwendeln 2,3 und 4 einsetzt.
Diese Art der Zündung ist die vorteilhafteste, denn während des Anheizens der Glühelektroden liegt nirgends am Entladungsgefäss eine hohe Spannung, die zur Erzeugung schneller Ionen mit grosser Zerstäubungsfähigkeit ausreichen könnte, während nach Anlegen der betriebsmässigen Spannung durch Öffnen des Schalters 27 die Ionenbildung schon so stark geworden ist, dass der Bogen augenblicklich einsetzt und die Klemmenspannung zusammenbricht, so dass während der Zündung, die nur Bruchteile einer Sekunde dauert, schnelle Ionen nur in verschwindender Zahl die Glühelektroden treffen können, wodurch deren Zerstäubung auf ein Minimum reduziert wird.
Nach der Zündung brennt die Lampe zunächst in einer Weise, die wir die zweite Betriebsphase nennen wollen. Hiebei dienen die Glühelektroden als Kathoden, während der Druck des dampfbildenden Metalls in der Röhre zunächst klein ist. Der Dampf besitzt demzufolge noch eine hohe Leitfähigkeit, und der Strom verteilt sich auf der Anodenseite auf alle Teile der Elektrode, vorzugsweise aber auf die äussersten Enden 31 und 28 bzw. 29. Bei der in der Figur links dargestellten Ausführung werden die beiden Durchführungen 8 und 9 miteinander verbunden, etwa durch einen Schalter 32. Nun erhitzt sich der Brenner immer mehr, wodurch der Druck und infolgedessen der Spannungsabfall im Dampf immer weiter steigt.
Der Spannungsabfall im Dampf, beispielsweise zwischen den Punkten 5 und 31, wird bald so gross, dass der Strom den Weg in der Anodenphase ausschliesslich über 5 nimmt, während er in der Kathodenphase vorzugsweise vom Ende 31 ausgeht. Durch diesen Umstand und durch den bei höherem Druck immer steigenden Anodenabfall werden die Massivelektroden 4 und 5 immer heisser und schliesslich so heiss, dass sie auch in der Kathodenphase zum Teil als Glühkathode dienen können. In einem bestimmten Zeitpunkt reisst nun der Teil des Bogens in der Kathodenphase, der von den Enden 28, 29 oder 21 ausgeht, ab, und der Bogen springt vollständig auf die Massivelektroden 4 und 5 über, die von diesem Augenblick an sowohl als Kathoden wie als Anoden oder, wie wir uns kurz ausdrücken, als Bogenfusspunkte dienen.
Hiebei wird auf der rechten Seite der Glühwendel 4 vom Betriebsstrom durchflossen, während auf der linken Seite die beiden Glühwendel 2 und 3 parallelgeschaltet sind und je von der Hälfte des Bogenstromes durchflossen werden. Infolgedessen sind die beiden Ausführungen 8 und 9 je nur mit der Hälfte des Bogenstromes belastet, wodurch eine Verminderung ihres Querschnittes zulässig wird. In dieser dritten Brennphase dienen also die Glühwendel als Teil des Vorschaltwiderstandes, die gemäss der Erfindung zum Anheizen der diesen enthaltenden Gefässteile verwendet werden. Hiedurch werden diese Teile des Brenners auf höhere Temperatur gehalten, als sie durch die Bogenheizung allein kommen würden.
Durch passende Bemessung des Widerstandes der Glühelektroden in Verbindung mit der Wärmeisolation 15 kann dann erreicht werden, dass das Metall, das sich in diesen Teilen aufhält, auf eine zur Erreichung des betriebsmässigen Druckes erforderliche Temperatur gebracht wird.
Durch den geschilderten Umstand, dass ein Teil des Vorschaltwiderstandes im Betriebszustand im Brenner selbst enthalten ist, wird zweierlei erreicht : Erstens eine kurze Anlaufdauer und zweitens eine thermische Stabilisierung und Regulierung des Betriebszustandes. Während der Anlaufpause werden nämlich die Endräume des Gefässes, in welchem sich die Glühkathoden befinden, zunächst durch den Bogen, der während der zweiten Phase diese Räume noch durchfliesst, in der dritten Phase durch den zunächst noch hohen Bogenstrom stark beheizt, wodurch eine schnelle Steigerung der Temperatur und des Druckes eintritt.
Bei steigendem Druck und infolgedessen steigender Spannung verringert sich aber der Bogenstrom und hiemit die entwickelte Wärmemenge im Verhältnis des Quadrates des Bogenstromes oder noch stärker, so dass bei einer Überhöhung der Spannung hiemit eine Grenze gesetzt wird.
In Fig. 2 ist ein besonderes Ausführungsbeispiel einer Hochdruckmetalldampfbogenlampe gemäss der Erfindung dargestellt. In dieser ist 33 das geradlinige zylindrische Leuchtrohr. Mit diesem in einer Achse sind die Massivelektroden 34 und 35 sowie die Stiele 36 und 37 in den Füssen 38 und 39 angeordnet.
Die Stiele 36,37 tragen in einem gemäss der Erfindung zweckmässig bestimmten Abstand von der Massivelektrode Querträger 40 und 41, an welchen Glühelektroden in Form von Glühwendeln 42, 43 und 44, 45 befestigt sind, die mit ihren äusseren Enden zu den Einschmelzungen 46,47 und 48, 49 führen. Um die
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gut anliegen. Diese Räume sowie Teile der Fusse sind mit Wärmeisolation versehen, bestehend aus einer Wärmeisolierschicht, beispielsweise aus Asbest 52 und 53, gehalten durch Metallschellen 54 und 55. Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist gleich der im vorhergehenden beschriebenen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Metalldampfbogenlampe für Wechselstrombetrieb mit Stromdurchgang in beiden Richtungen und zwei massiven erst bei erhöhtem Druck zu Kathoden werdenden Elektroden aus Hartmetall, gekennzeichnet durch Glühelektroden, die bei der Zündung und bei der Niederdruckphase Fusspunkte der Entladung bilden.