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Hochdruckmetalldampfbogenlampe.
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nicht zu einem praktischen Erfolg kommen. denn die meist medizinische Anwendung dieser Brenner schloss hohe Spannungen als zu gefährlich aus.
Anderseits hat man Wolframbogenlampen u. dgl. schon früher lichtstärker zu machen versucht. indem man ihnen Quecksilber zusetzte. Die Intensität des ausgestrahlten Queeksilberliehtes blieb aber stets gering. Die starke Zerstäubung der Elektroden aus Wolfram, . Tantalkarbid usw. schon bei den angewandten geringen Spannungen (10, 20 Volt) liess eine Anwendung solcher Brenner bei Hochdruck vollkommen aussichtslos erscheinen, da bekanntlich die Kathodenzerstäubung mit der Spannung stark zunimmt. Hochdruckbogenlampen haben aber Bogen Spannungen von 100 Volt und darüber.
Es wurde nun experimentell die überraschende Tatsache gefunden, dass die Kathodenzerstäubung gerade im Hochdruckbogen erheblich kleiner ist als im Niederdruekbogen. Bei gleicher Stromstärke an der Kathode wird sogar von einer bestimmten Dichte des Metalldampfes aufwärts die Zerstäubung stets kleiner. Massgeblich ist hier anscheinend nicht nur die Gasdichte, sondern auch die Ionendichte, denn in Wolframbogenlampen, die Stickstoff oder Edelgase unter verhältnismässig hohem Druck (30,40 cm und darüber) enthalten, ist die Zerstäubung immer noch weit grösser als bei den Versuchen in fast reinem hochionisiertem Metalldampf.
Man kann sich diese Erscheinung nachträglich wohl teilweise so erklären, dass im Hochdruekbogen Ionen sehr grosser Geschwindigkeit, wie sie für die Kathodenzerstäubung hauptsächlich verantwortlich sind, sehr selten vorkommen, da sie trotz steigender Gesamtspannung wegen der kurzen freien Weglänge so viele Zusammenstösse erfahren, dass sie die überschüssige Geschwindigkeit immer wieder verlieren.
Nach Entdeckung dieser Erscheinung galt es, sie in Brennern nach Art der Hochdruckmetalldampflampe nutzbar zu machen. Diese müssen aus thermischen Gründen röhrenförmige Leuchtgefässe von einem Querschnitt in der Grössenordnung 1 em2 und Leuehtrohrlängen von 6-15 cm erhalten.
Es zeigte sich aber, dass in solchen Brennern ein Bogen zwischen Elektroden, z. B. aus Wolfram, im Dampf eines Metalles wie Quecksilber, Cadmium oder Zink nicht zum dauernden Betrieb mit Wechselstrom gebracht werden konnte, selbst bei erheblichen Spannungen. Als aber in das Dampfgemisch etwas Edelgas, z. B. Argon, von 0'5 mm Druck zugemischt wurde, konnte ein dauernder Bogen mit Wechselstrom bei Netzspannung von 200 Volt und sogar darunter erzielt werden. Man kann diese Erscheinung so erklären, dass die Restionisation im Metalldampf, die nach dem Polwechsel verbleibt, nicht zur Wiederzündung des Bogens ausreicht. Wenn aber dem Dampf ein Gas zugemischt ist, wie z. B.
Edelgase oder Stickstoff, dessen metastabile Zustände eine höhere Energie besitzen als die Ionisierungsenergie des Metalldampfes, so geben die langlebigen metastabilen Gasatome während längerer Zeit zur Ionisation ausreichende Energie an die Metallatome ab und sorgen so für eine lange Aufrechterhaltung der Ionisation.
Es lag nun das weitere Problem vor, wie man die beiden Erkenntnisse für praktisch brauchbare Lampen verwerten könnte, wie man also eine Lampe der beschriebenen Art mit Hartmetallelektroden
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od. dgl. und Edelgasbeimischung so in Betrieb nehmen kann bzw. so ausgestalten könnte, dass die durchsichtige Wandung aus Quarz od. dgl. zum mindesten an den Stellen, die im Betriebszustand den Bogen enthalten, vor Zerstäubung geschützt wird. Es bestand nämlich die Schwierigkeit, dass bei allen bekannten geschlossenen Hochdruckmetalldampflampen bei der Zündung die Lampe eine Phase des Niederdrucks durchläuft. In dieser Betriebsphase tritt nun eine starke Zerstäubung auf, die die praktische Brauchbarkeit dieser Lampe in Frage stellt. Zur Vermeidung dieses Übelstandes wurden drei brauchbare Wege gefunden.
Die erste brauchbare Massnahme bestand in einer Anheizung des Brenners vor der Zündung bis zu einer solchen Temperatur, dass der bei der Zündung einsetzende Bogen sogleich zum "Hochdmckbogen" wurde. Unter Hochdruckbogen sollen im folgenden nicht nur solche Bogen verstanden werden, bei welchen der manometrisch gemessene Druck in der Grössenordnung einer Atmosphäre ist. Es konnte expermientell gezeigt werden, dass ein Bogen in Kadmium-oder Zinkdämpfen schon bei 5-10 cm Druck die gleichen elektrischen Eigenschaften, das gleiche Aussehen und eine ähnliche Lichtintensität besitzt wie ein Quecksilberbogen bei zirka 1 Atm. Es ist also richtiger, unter Hochdruckbogen einen solchen Bogen zu verstehen, bei welchem der Spannungsabfall pro Zentimeter des Bogens zirka 5 Volt überschreitet.
Es ist schon mehrfach eine vorherige Anheizung von Quecksilberbrennern angewandt worden, um die Zündung zu erleichtern. Die oben beschriebene Massnahme unterscheidet sieh aber hievon in dem wesentlichen Punkt, dass die Anheizung, die zu einer Vermeidung der Zerstäubung erforderlich ist, weit über das Mass hinausgeht, die zu einer leichten Zündung erforderlich ist.
Das Anheizen erfolgt zweckmässig durch einen Heizwiderstand, der im Nebenschluss zu den Klemmen der Lampe liegt. Es hat sieh aber gezeigt, dass dieser Nebenschluss im Betriebszustand abgeschaltet werden muss, da sonst eine"thermisehe Labilität"auftritt. Die im Nebenschluss verbrauchte Energie wächst nämlich mit der Bogenspannung und so steigert sich die Temperatur des Brenners bei steigendem Dampfdruck immer mehr, bis die zum-Brenner erforderliche Spannung die zur Verfügung stehende überschreitet und der Bogen erlischt. Zweckmässiger ist es darum, einen Teil des Vorschaltwiderstandes zur Anheizung zu benutzen, indem vor Zündung des Brenners dieser zunächst kurzgeschlossen und erst geöffnet wird, nachdem er eine ausreichende Temperatur erhalten hat.
Der Vorschaltwiderstand kann nun auch erfindungsgemäss dauernd zur Beheizung des Brenners, insbesondere der Metall enthaltenden Teile, benutzt werden, denn da die im Vorsehaltwiderstand verbrauchte Energie mit stiegender Bogenspannung dauernd abnimmt, so tritt auf diese Weise eine sehr günstige thermische Stabilisierung des Bogens ein.
Die letztgenannte Massnahme erwies sich insbesondere bei Brennern mit schwerer verdampfenden Metallen als besonders günstig. Da erfindungsgemäss der Bogen im Betriebszustand nicht auf den verdampfbaren Metallen, sondern auf den Hartmetallelektroden fusst, so fehlt die Wärme des Anoden bzw.
Kathodenfalles, wie er bei den bisher bekannten Lampenanordnungen auftritt, um das verdampfbare Metall zu heizen. Bei Quecksilberlampen genügt eine etwas starkwandigere Ausbildung der das Metall enthaltenden Gefässe ; bei Kadmium oder Zink ist aber eine gute Wärmeisolation oder auch eine besondere
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Eine zweite Lösung der Aufgabe zur Vermeidung der Zerstäubung der Elektroden besteht im folgenden :
Die Hartmetallelektroden befinden sich bei der Zündung, also bei kalter Lampe, zurückgezogen und bewegen sich bei Erwärmung des Brenners langsam vor, indem sie sich einander nähern, bis in die im Betriebszustand entsprechende Endlage. Die Zerstäubung, die bei Niederdruck auftritt, wird also nur Teile der Gefässwand treffen, die im Hoehdruekbetrieb nicht als Leuchtgefäss dienen. Die genannte Bewegung der Elektroden kann in an sieh bekannter Weise durch Bimetallorgane erfolgen. Die genannte
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in den bisher bekannten Wolframbogenlampen.
In diesen berühren sieh die Elektroden bei kalter Lampe und bewegen sich bei Erhitzung der Lampe auseinander, während sie sich bei unserer oben beschriebenen Anordnung dauernd einander nähern.
Eine dritte Lösung besteht darin, nicht die Elektroden wandern zu lassen, sondern die Fusspunkte des Bogens, während die Elektroden selber unbeweglich bleiben. Dieser Effekt tritt unter günstigen Umständen zum Teil auch bei einfachen Lampenanordnungen auf, wie in unseren Fig. 1 und 2 dargestellt.
In Fig. 1 ragt die Hartmetallelektrode 1 als dünner Stift oder Draht aus dem verdampfbaren Metall
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die beispielsweise durch Anlegen von Hochfrequenz von aussen erfolgt, tritt zunächst ein Bogen auf, dessen Kathodenfleck auf dem verdampfbaren Metall. 3, dessen Anodenfusspunkt dagegen auf der gegen- überliegenden Hartmetallelektrode liegt. Die Hartmetallelektroden 2 und 4 werden hiebei so stark erhitzt, dass sie von einem bestimmten Augenblick an selber ausreichend Elektronen emittieren können, um zu Kathoden zu werden. Eine ähnliche Anordnung zeigt die Fig. 2. Hiebei ist 5 das Entladung- gefäss. 6 und 7 die Hartmetallelektroden, während 8 und 9 das verdampfbare Polmetall darstellt. Bei solchen Brennern springt dann bei schon etwas erhitztem Brenner der Kathodenfleek plötzlich auf die Hartmetallelektroden über.
Es zeigte sich, dass bei Quecksilberbrennern der Abstand und die Anordnung
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des Quecksilberspiegels und der Hartmetallelektroden nach Fig. 1 so getroffen werden können, dass dies erst bei beginnendem Hochdruck erfolgt und die Zerstäubung nicht sehr erheblich ist. Bei Brennern mit Kadmium-und Zinkfüllung erfolgt dagegen das Überspringen noch im Niederdruck, und wegen der höheren Temperatur, die Kadmium und Zink zum Hochdruck erfordern, ist die Zerstäubung während der Aufladeperiode auch erheblich stärker als bei Quecksilber. Diesen Vorgang, das Wandern des Bogenfusspunktes zuverlässig und den oben gestellten Anforderungen entsprechend zu machen, ist die Anordnung nach Fig. 3 geeignet.
Die verdampfbare Elektrode 10 ist mit der Hartmetallelektrode 11 in dieser Figur mit einer Glühspirale 12 verbunden, die auch sonst irgendwie gestaltet werden könnte und die beim Stromdurehgang Elektronen emittiert. Bei Stromdurchgang zur verdampfbaren Elektrode wird diese
Spirale durch den Hauptstrom durchflossen und wird zur Hilfskathode. An dieser wandert nun der
Fusspunkt des Bogens immer höher, indem er sich gleichzeitig dem wachsenden Druck entsprechend zusammenzieht und erreicht schliesslich die Hartmetallelektrode 11 mit der Kugel 13.
Es sei erwähnt, dass diese Anordnung bei Gleichstrom leicht zum Labilwerden neigt, da Haupt- strom und Elektronenemission sich gegenseitig steigern. Bei Gleichstrom kann diese Labilität leicht zu einer Zerstörung des Drahtes führen, bei Wechselstrom dagegen wird diese Gefahr dadurch ausgeschaltet oder zum mindesten stark vermindert, dass während derjenigen Halbwelle, während der die Elektrode zur Anode wird, im Draht 12 ein Ausgleich der Temperaturen stattfinden kann.
Die Zündung erfolgt bei den bisherigen Lampenanordnungen, soweit es sieh um Quecksilberlampen handelt, vorzugsweise durch Anlegen von Hochfrequenz von aussen. Es zeigte sich aber bei Lampen mit Kadmium-oder Zinkfiillung mit wenig oder keinem Quecksilber, dass die Brenner auch ohne jede besondere Zündanordnung nach Anlegen der Spannung von selber zündeten. Dies erklärt sich haupt- sächlich dadurch, dass die bei Zimmertemperatur festen Metalle, Kadmium und Zink, im Polgefäss an der Wandung einen dünnen Beschlag bildeten ; die Glimmentladung, die an dieser auftrat, geht sehr leicht in einen Bogen über. Diese Erscheinung kann man auch dadurch etwas regelmässiger gestalten, dass man das Polmetall mit grossflächigen Metallelektroden in Verbindung bringt, wie Fig. 4 zeigt.
In dem Entladungsgefäss 14 befindet sich ein Ansatz 15, der in seinem untersten Teil das verdampfbare Metall 16 enthält. Mit der Hartmetallelektrode 7 ist eine Heizspirale 18 verbunden. deren Ende 19 mit dem grossflächigen Metallzylinder 20 verbunden ist, der nahezu die ganze Wandung des Ansatzes 15 bedeckt. Auf den Metallzylinder 20 schlägt sich ein dünner Beschlag des verdampfbaren Metalles nieder und vermindert den Kathodenfall. Nach Verdampfen des Metalles kann der Bogen jeweils während höchstens einer halben Periode an der Elektrode 20 weiterbrennen. Die Elektrode 20 wird man zweckmässig so gross ausbilden, dass sie nicht auf eine übermässig hohe Temperatur erhitzt und nicht selber zur Glühkathode wird.
Es können auch die bisher genannten verschiedenen Methoden zur Inbetriebsetzung des Brenners bei Verhinderung der Zerstäubung vereinigt zur Anwendung gelangen. Die Bewegung der Elektroden kann mit der Bewegung des Fusspunktes des Bogens und mit dem Anheizen der Lampe vor und nach der Zündung vereinigt werden.
Es ist gelungen, Brenner der vorstehend beschriebenen Art mit einer Spannung von 200 Volt unter Vorschaltung eines Vorschaltwiderstandes mit Wechselstrom zu betreiben. Die Brenner hatten ähnliche Abmessungen wie Gleichstrombrenner und brannten unter ähnlichen elektrischen Verhältnissen wie die Gleichstrombrenner. Die Bogenspannung konnte bei einer Netzspannung von 220 Volt ohne Erlöschen der Lampe bis über 130 Volt gesteigert werden. Die Licht-, insbesondere die U. V.-Ausbeute war etwa die gleiche wie bei Gleiehstrombrennern.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Hochdruekmetalldampfbogenlampe für Wechselstrom mit Stromdurchgang in beiden Richtungen, bei der ausser dem Metall, in dessen Dampf die Entladung erfolgt, zwei Elektroden aus Hartmetall oder anderm schwer schmelzbarem und verdampfbarem Material vorhanden sind und mit einer Gasfüllung, deren metastabile Zustände höher liegen als die Ionisationsziffer des bogenbildenden Metalles, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens im Betriebszustand der Abstand der Hartmetallelektroden voneinander kleiner ist als der gegenseitige Abstand der den metalldampfbildenden und sonstigen noch vorhandenen Elektroden und dass der Bogen erst nach Erreichung des Betriebsdruckes an den massiven Hartmetallelektroden ansetzt.