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Hochdruekmetalldampfbogenlampe.
In den bekannten Hochdruckmetalldampfbogenlampen befindet sich der Metalldampf im Sättigungsgleichgewicht mit einem Vorrat an flüssigem Metall. Dieser Vorrat dient in den Lampen älterer Bauart, mit sogenannter kalten Kathode gleichzeitig als Elektrode, in den Lampen neuerer Bauart mit festen Glühelektroden dient er lediglich zur Erzeugung des Dampfes und Regelung des Dampfdruckes.
Der Dampfdruck ist eine sehr steil ansteigende Funktion der Temperatur. Anderseits steigt die Brennspannung des Bogens mit steigendem Dampfdruck ebenfalls stark an. Daraus ergab sich in solchen Brennern ein zweifacher Nachteil. Erstens musste die Regelung der Temperatur des flüssigen Metalls sehr genau erfolgen und die Betriebsverhältnisse der Lampe waren darum in empfindlicher Weise von den Kühlungsverhältnissen, Belastungsverhältnissen und der Netzspannung abhängig. Insbesondere bei verminderter Kühlung, wie beim Einschluss in Reflektoren usw., weist die Charakteristik, die in Fig. 1 dargestellt ist, eine ungünstige Gestalt auf. Der zweite Nachteil der Lampen ist der langsame Einbrennvorgang.
Da der Brenner bis zum Hochdruekbetrieb zunächst alle Phasen des Niederdrucks durchlaufen muss, bleibt die Wärmeentwicklung im Brenner zunächst sehr klein und etwa 80% der gesamten Einbrenndauer entfällt bei den bekannten Brennerarten auf den Niederdruckbetrieb mit kleiner Lichtbogenspannung und geringer Lichtausbeute, während welcher Zeit die Lampe, insbesondere für medizinische Zwecke, nicht benutzt werden kann.
Gegenstand vorliegender Erfindung bildet eine Hochdruckmetalldampflampe, bei welcher beide Mängel vermieden sind. Dies erfolgt erfindungsgemäss dadurch, dass in den Betriebsraum der Lampe nur soviel Metall hereingebracht wird, als während des Hochdruekbetriebes in Dampfform übergeht. Voraussetzung hiefür ist, dass das dampfbildende Metall nicht als Fusspunkt des leuchtenden Bogens dient, da man in solchen Fällen stets grosse Metallüberschüsse benutzen muss. Das Anwendungsgebiet der Erfindung umfasst einerseits die Metalldampflampen mit festen Elektroden nach Art der Glühelektroden, anderseits pollose Entladunsgefässe, in welcher die leuchtende Entladung durch hochfrequente Felder erzeugt wird.
Als Betriebsraum des Brenners bezeichnen wir in beiden Fällen das gesamte Innenvolumen der Lampe, das sich im Betrieb auf hoher Temperatur befindet, also das Leuehtgefäss einschliesslich des Raumes, in dem sich die Elektroden befinden aber ohne den "Toten Raum". Als toten Raum bezeichnen wir alle Ausläufer und Ansätze des Betriebsraumes, insbesondere kapillare Spalte und Ansätze oder solche Räume, die mit dem eigentlichen Betriebsraum nur durch verengte Öffnungen kommunizieren und deren Temperatur im Betriebszustand der Lampe geringer ist als die zum Betriebsdruck gehörige Sättigungstemperatur.
In diesem toten Raum kann sich nämlich Metall kondensieren, welches weder im Betriebszustand noch während der Anlaufphase in Dampfform übergeht, welches also an den Betriebsvorgängen der Lampe überhaupt nicht teilnimmt.
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Zeitpunkt, ist das gesamte Metall in Dampfform übergegangen. Von diesem Punkte an, in welchem der Druck noch zweckmässig unterhalb des Betriebsdruckes liegt, folgt der Dampfdruck nicht mehr der sehr steil ansteigenden Dampfdruckkurve, sondern er verläuft gemäss dem Boyle-Mariotteschen Gesetz, welches ein viel flacheres Ansteigen des Druckes mit der Temperatur ergibt. Dies macht sich an dem Verhalten
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der elektrischen Strom-Spannungscharakteristik bemerkbar (s. Fig. 2). Die Klemmspannung E steigt mit der Belastung nur noch langsam an, während aber gleichzeitig die Lichtausbeute noch erheblich weiter wächst.
Infolgedessen sind solche Brenner in einem bisher nie erreichten Masse belastungsfähig und zeichnen sich durch eine ungemein hohe Ökonomie aus, die beispielshalber bei Quecksilberlampen im Ultraviolett drei-bis viermal höher werden kann, als man bei den bisher bekannten Brennern erreichen konnte. Ein weiterer Vorteil der Anordnung gemäss der Erfindung ist die erhebliche Verkürzung der Anlaufzeit. Bei ein und derselben Brennerkonstruktion konnte die Anlaufzeit bis zum Erreichen des Hochdruckbetriebes durch Verminderung der Metallfüllung gemäss der Erfindung von drei Minuten auf zwanzig Sekunden herabgesetzt werden.
Es ergab sich nun bei Versuchen die unerwartete Tatsache, dass die genannten Vorteile bereits auftraten, wenn noch ein sehr geringer Überschuss an verdampfbaren Metall in den Betriebsraum eingebracht wurde, der aber höchstens ein geringes Vielfaches der in Dampfform übergehenden Metallmenge betragen durfte. Sobald die gesamte Metallmenge weniger betrug als etwa das fünf-bis zehnfache der im Hochdruckbetrieb verdampften Metallmenge, zeigte sich eine Verflachung der Charakteristik, eine kürzere Einbrenndauer und eine erhöhte Unempfindlichkeit des Brenners gegen Überlastungen.
Bei Versuchen mit Metalldampflampen mit schwerer verdampfbarer, bei Betriebstemperatur festen Metallen wie Cadmium und Zink, die mit Wechselstrom und Stromdurchgang in beiden Richtungen betrieben wurden, trat ein neuer Vorteil der gemäss der Erfindung verringerten Metallmenge zu Tage.
Das Einbrennen solcher Lampen bis zum Erreichen des Hochdruckzustandes gestaltet sich besonders schwierig durch besondere Umstände, die folgendermassen erklärt werden dürften. Im Niederdruckbetrieb entwickelt sieh die grösste Wärme zunächst an den festen Glühelektroden, während die leuchtende Säule und damit das Leuchtrohr relativ kalt bleibt. Demzufolge bildet sich bei Cadmium und Zink im Leuchtrohr ein zunächst fester, mehr oder weniger zusammenhängender und elektrisch leitender Belag, der sich negativ entlädt. Bei Brennern der genannten Art muss aber der Bogen in jeder Halbperiode neu zünden.
Die zur Zündung erforderliche Spannung wird aber durch den Belag erheblich heraufgesetzt, unter Umständen so hoch, dass die Netzspannung zur Widerzündung nicht mehr ausreicht und der Bogen erlischt.
Auch wenn dies nicht erfolgt, wird die Ausbildung eines eigentlichen Hochdruckbogens durch den Beschlag erheblich verzögert, denn nach den Untersuchungen des Erfinders brennt der durch den Beschlag verhinderte Bogen mit einem geringen elektrischen Leistungsfaktor. Die in der Säule entwickelte Wärmemenge bleibt also klein. Es kann dann sogar, wie Versuche gezeigt haben, der Bogen stationär in diesem verhinderten Zustand brennen mit stark verminderter Lichtausbeute. Der eigentliche Hochdruckbetrieb mit klargebranntem Leuchtrohr, gutem Leistungsfaktor und grosser ultravioletter Lichtausbeute wird gar nicht, oder nur sehr langsam, erreicht.
Dieser Mangel konnte durch die gemäss der Erfindung weitgehend verringerte Metallmenge in vollständiger Weise behoben werden. Die hiebei zu befolgende Vorschrift sei an dem Beispiel einer Quarzcadmiumlampe für Wechselstrom, von gerader zylindrischer Form dargetan. Das eigentliche Leuehtrohr hat die Länge 110 mm, daran schliessen sich beiderseits mit dem gleichen Querschnitt von 1 cm2 die Räume an, in denen die festen Glühelektroden enthalten sind. Diese sind je 3 cm lang, der Betriebsraum der Lampe ist also 17 cm3. Der tote Raum wird gebildet einerseits durch die kapillaren Spalten, die sich zwischen den metallischen Elektrodeneinführungen und dem Quarzglas bildet, anderseits durch den Pumpstutzen, der ebenfalls einen kapillaren Ansatz bildet und beispielshalber in der Mitte des Leuchtrohrs angesetzt ist.
Der Betriebsdruck des Brenners sei 0'5 Atm., die Durehschnittstemperatur im Leuchtrohr zirka 10000 C.-Dann enthält das Leuchtrohr im Betriebszustand 8-8 mgr. Cadmium in Dampfform.
Auf den festen Zustand umgerechnet sind dies 1-16 N, oder um es anschaulich auszudrücken, ein kugelförmiges Tröpfchen von 1-3 mm Durchmesser. Dann darf erfindungsgemäss die gesamte Menge von Cadmium im Betriebsraum im festen Zustand nur etwa 5-10 mm3 betragen, oder wiederum als Kugel betrachtet, einem Tröpfchen von 2-2'5 mm Durchmesser entsprechen. Ein solcher Brenner brennt in ausserordentlich kurzer Zeit ein, denn der Cadmiumbeschlag verdampft sehr schnell und hilft hiedureh mit, den Druck und damit die Leistung schnell in die Höhe zu treiben, wobei aber ein Verlöschen während der Anlaufzeit niemals vorkommt.
Die Zündung von Cadmium-und Zinkbrennern, insbesondere von Wechselstrombrennern, erfolgt erfahrungsgemäss schwieriger als Quecksilber-oder Alkalibrennern, denn in kaltem Zustand ist der Dampfdruck in den Brennern noch viel zu niedrig für eine Entladung. Auch ein Zusatz von Edelgas genügt erfahrungsgemäss nicht vollkommen sicher zur Zündung. Ein Anheizen des ganzen Brenners auf eine höhere Temperatur ist eine unbequem Massnahme zur Beseitigung dieses Mangels. Erfindungsgemäss kann nur eine rasche und sichere Zündung erreicht werden, wenn man einem Brenner mit kleiner Füllung gemäss der Erfindung eine kleine Menge Quecksilber zusetzt. Amalgamlampen mit Cadmium oder Zink sind bekannt, auch solche, bei welchen der Quecksilberanteil klein ist gegen die Cadmiumfüllung.
Es handelt sich aber bei allen bekannten Ausführungen von Amalgamlampen stets um Brenner mit erheblichen Metallmengen. Bei diesen ist aber nun entweder die Quecksilbermenge verhältnismässig gross, so dass fast der volle Quecksilberdampfdruek wirksam ist, dann kann aber mit solchen Lampen niemals ein Hochdruckbetrieb für Cadmium erreicht werden, da der Quecksilberdampfdruck bei jeder Temperatur
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