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Elektrische Entladungsröhre.
Gegenstand der Erfindung ist eine elektrische Quecksilberdampfentladungsröhre für Lichtausstrahlung, die mit Erfolg für Beleuchtungszweeke, z. B. für das Beleuchten von Wegen, Plätzen, Werkstätten, Läden, Lagerplätzen, Wohnräumen usw., verwendet werden kann.
Eine für diese neuartige Verwendungszwecke brauchbare Quecksilberdampfentladungsröhre enthält folgende Kennzeichen : Sie ist mit festen vorzugsweise von der Entladung selbst beheizten Glühelektroden versehen ; sie enthält ferner eine Füllung aus Gas (vorzugsweise Edelgas) und Quecksilber ; der innere Durchmesser der aus hochschmelzendem Material, vorzugsweise Quarz, bestehenden Röhre ist kleiner als 7 mm gewählt und die spezifische Belastung (d. h. die Energieaufnahme pro Zentimeter Länge der Entladungsbahn) liegt zwischen 15 und 135 Watt/cm ; schliesslich sind die spezifische Belastung, das Wärmeabgabevermögen der Entladungsröhre und die Röhrenform derart einander angepasst, dass der Queeksilberdampfdruek beim Betriebe grösser als 10 Atm. ist.
Im Vergleiche mit andern Liehtquellen gleicher Leistung ist vor allem hervorzuheben, dass Entladungsröhren dieser Art-sehr kleine Abmessungen, ein kleines Volumen und ein geringes Gewicht besitzen, wobei auch die Herstellungskosten niedrig sind. Eine 100-Watt-Lampe wiegt z. B. nur ungefähr 3 g. Die angegebenen Entladungsröhren zeigen ferner einen hohen Wirkungsgrad, sogar bei kleineren Leistungen, während andere Lichtquellen, z. B. Glühlampen, bei kleinen Leistungen einen recht ungünstigen Wirkungsgrad aufweisen.
Die hohen Quecksilberdampfdrücke haben den Vorteil, dass das Spektrum des von der Ent- ladungsröhre ausgesandten Lichtes für Beleuchtungszwecke besser geeignet ist als das der jetzt zu diesen Zwecken verwendeten Quecksilberdampfentladungsröhren, in denen der Quecksilberdampfdruck beim Betriebe etwa 1 Atm. ist. Bei den hohen Quecksilberdampfdrücken, die in der erfindungsgemässen Röhre auftreten, zeigt das ausgesandte Licht ein ziemlich starkes kontinuierliches Spektrum, das viel Rot enthält, so dass das Licht ausser blauen und grünen Strahlen auch starke rote Strahlen enthält. Die Farbe des Lichtes wird um so günstiger für die obenerwähnten Zwecke, je höher der
Quecksilberdampfdruck ist, so dass man je nach Umständen Drücke wählen wird, die höher als 10, z.
B. 12,15 oder 20 Atm., sind.
Bei über 10 Atm. gelegenen Quecksilberdampfdrücken werden mit den erfindungsgemässen Entladungsröhren auch sehr hohe Wirkungsgrade erreicht ; überdies tritt hiebei noch eine besondere Erscheinung auf, die mit Hilfe der Fig. 1 der Zeichnung erläutert wird. In dieser Figur ist der Wirkungsgrad der Entladungsröhre, d. h. die Anzahl Lumen sichtbaren Lichtes pro Einheit (Watt) der von der Röhre aufgenommenen Energie, als Funktion des Queeksilberdampfdruckes in Atmosphären dargestellt, bei konstanter Energieaufnahme pro Zentimeter Länge der Entladungsbahn, d. h. bei konstanter spezifischer Belastung der Röhre. Aus dieser Figur geht hervor, dass der Wirkungsgrad bei Drucken höher als 10 Atm. nur wenig zunimmt, bei Drucken niedriger als 10 Atm. jedoch schnell sinkt.
Die spezifische Belastung der erfindungsgemässen Röhren ist kleiner als 135 Wattjl ! m gewählt und an das Wärmeabgabevermögen der Röhre angepasst. Bei dieser spezifischen Belastung braucht die Röhre nicht durch Wasser oder in ähnlicher erzwungener Weise gekühlt zu werden. Je grösser die spezifische Belastung einer bestimmten Röhre gewählt wird, desto höher wird der Quecksilberdampfdruck sein. Die Grösse der spezifischen Belastung wird im allgemeinen die Lebensdauer der
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Röhre beeinflussen, u. zw. wird die Lebensdauer um so kleiner sein, je grösser die spezifische Belastung gewählt wurde. Die erwähnte obere Grenze der spezifischen Belastung soll daher nicht als die grösste spezifische Belastung betrachtet werden, die in jedem praktischen Falle zugelassen werden kann.
Für jeden Fall wird man auf Grund der an die Röhre gestellten Forderungen und der Abmessungen der Röhre leicht mittels einiger Versuche feststellen können, wieweit man mit der spezifischen Belastung unterhalb dieser Grenze bleiben muss, um eine den gestellten Forderungen genügende Entladungsröhre zu erhalten, die ohne Flüssigkeitskühlung oder andere besonders energisch wirksame Hochleistungskühlung, also in einfacher Weise, benutzt werden kann. Um eine längere Lebensdauer zu erreichen, kann man die spezifische Belastung beispielsweise kleiner als 120 oder 100 Watt pro Zentimeter halten.
Obwohl man erwarten würde, dass die spezifische Belastung bei den grösseren der in Betracht kommenden inneren Durchmesser grösser gewählt werden könnte als bei den kleineren Durchmessern, stellt es sich heraus, dass die maximal zulässige spezifische Belastung nur wenig von dem inneren Durchmesser abhängig ist.
Bei einer bestimmten Belastung der Entladungsröhre hängt der Quecksilberdampfdruck auch von der Form der Röhre ab, weil dieser Druck in erster Linie von der Temperatur der kältesten Stelle des Entladungsraumes bestimmt wird. Diese niedrigste Temperatur wird wieder von der Form und dem Wärmeabgabevermögen der Entladungsröhre beeinflusst.
Da der innere Durchmesser der Entladungsröhre kleiner als 7 mm ist, wird eine kleine kompakte Lichtquelle mit einem kleinen Volumen erhalten. Dieser geringe Durchmesser macht es auch praktisch möglich, die erforderlichen hohen Quecksilberdampfdrücke anzuwenden, während infolge des kleinen Volumens die Folgen einer eventuellen Explosion der Entladungsröhre innerhalb unsehäd- licher Grenzen gehalten werden. Der kleine innere Durchmesser der Röhre fördert ferner in Zusammenwirkung mit den festen Glühelektroden das ruhige Brennen der Entladungsröhre. Die Entladung, die nicht den ganzen Querschnitt der Röhre füllt, sondern eingeschnürt ist, ist um so ruhiger, d. h. bewegt sich um so weniger innerhalb der Röhre hin und her, je kleiner der innere Durchmesser gewählt wird.
Erhöhung des Quecksilberdampfdruckes hat den entgegengesetzten Erfolg und macht die Entladung unruhiger. Dies ist einer der Gründe, weshalb man bei höheren Quecksilberdampfdrueken kleinere innere Durchmesser der Röhren bevorzugt.
Es ist von Vorteil, den inneren Durchmesser kleiner als 5-4 mm zu wählen, wodurch dann höhere Drucke als bei einem grösseren Durchmesser angewandt werden können, was eine Verbesserung der Farbe des ausgesandten Lichtes zur Folge hat und auch eine ruhigere Entladung herbeiführt.
Wie schon oben bemerkt wurde, ist die spezifische Belastung grösser als 15 Watt/cm. Bei niedrigeren Werten wird es nicht nur praktisch sehr schwierig, einen Quecksilberdampfdruck grösser als 10 Atm. zu erreichen, sondern es wird überdies der Wirkungsgrad geringer. Der Wirkungsgrad ist eine Funktion der spezifischen Belastung und bei Quecksilberdampfdrucken grösser als 10 Atm. nur wenig von dem Quecksilberdampfdruck und dem inneren Durchmesser der Röhre abhängig.
Fig. 2 der Zeichnung zeigt z. B. den Verlauf dieser Funktion (Lumen pro Watt in Abhängigkeit von Watt pro Zentimeter) für eine bestimmte Entladungsröhre gemäss der Erfindung. Diese Kurve gibt die mittleren Werte des Wirkungsgrades wieder. Die an verschiedenen Röhren gemessenen Werte können in Abhängigkeit des Quecksilberdampfdruekes und des inneren Durchmessers ein wenig unter oder über der abgebildeten Kurve liegen. Einer der Vorteile der erfindungsgemässen Röhre besteht darin, dass auch bei kleineren Leistungen sehr gute Wirkungsgrade erhalten werden. Je höher man die spezifische Belastung wählt, z. B. grösser als 20,25, 35 oder 50 Watt/cm, desto grösser wird der erreichte Wirkungsgrad.
Die in der Röhre auftretenden Quecksilberdampfdrücke können in einfacher Weise mit Hilfe des spezifischen Spannungsabfalles in der Entladungsbahn, d. h. des Spannungsabfalles pro Längeneinheit dieser Bahn, bestimmt werden. Dieser spezifische Spannungsabfall ist u. a. eine Funktion des Queeksilberdampfdruckes.
Fig. 3 stellt in logarithmischem Massstabe den Verlauf des spezifischen Spannungsabfalles in Volt/cm als Funktion des Quecksilberdampfdruckes in Atm. für die Stromstärken 0'1, 0'2 bzw.
0'4 Amp. -Gleichstrom dar, u. zw. für eine Entladungsröhre mit einem inneren Durchmesser von 1 mm. Der spezifische Spannungsabfall kann aus der Brennspannung der Entladung berechnet werden, indem man diese Brennspannung um die Summe des Kathoden-und Anodenfalles der Elektroden (bei Oxydelektroden ungefähr 15 Volt) verringert und diese Restspannung durch die Länge der Entladungsbahn teilt.
Die Fig. 4,5 und 6 geben dieselben Funktionen wieder für Entladungsröhren mit einem inneren Durchmesser von 2'3 bzw. 5 mm.
Im allgemeinen wird man die Entladungsröhre vorzugsweise in lotrechter oder annähernd lotrechter Stellung verwenden, da man in diesem Falle höhere Drücke und grössere spezifische Belastungen als bei horizontaler Stellung der Röhre verwenden kann, weil bei letzterwähnter Stellung die Gefahr besteht, dass die Entladung sich wölbt und sich der Oberseite der Röhrenwand zu sehr nähern würde ; diese Gefahr ist um so grösser, je höher der Quecksilberdampfdruck ist. Um eine gleichmässige Tem-
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peraturverteilung über die Entladungsröhre zu fördern, wird man bei lotrechter Lage den Abstand zwischen der oberen Elektrode und dem oberen Ende des Entladungsraumes mit Vorteil grösser wählen können als den Abstand zwischen der unteren Elektrode und dem unteren Ende des Entladungsraumes.
Die Stromzuführungsdrähte der Elektroden werden in der Regel nicht unmittelbar in die aus Quarz oder derartigem Material bestehende Wand eingesehmolzen werden können. Um die Entladungsröhren gegen den hohen Druck und die hohe Temperatur, denen sie beim Betrieb ausgesetzt sind, sehr widerstandsfähig zu machen und die Länge der Röhre klein zu halten, ist es empfehlenswert zwischen den Stromzuführungsdrähten und dem Wandmaterial nur ein einziges Übergangsmaterial zu verwenden. Hiezu ist alkalifreies Glas sehr geeignet, das z. B. folgende Zusammensetzung aufweisen kann :
EMI3.1
<tb>
<tb> 88. <SEP> SiU,
<tb> 8-4% <SEP> BA
<tb> 2-9% <SEP> ai, <SEP> 0,
<tb> 0-4% <SEP> CaO
<tb>
Dieses Glas kann einerseits an Quarz angeschmolzen werden, während anderseits die Wolframdrähte luftdicht in dieses Glas eingeschmolzen werden können.
Mit Hinsicht auf die hohe Temperatur der Entladungsröhre ist es in vielen Fällen erwünscht, die ausserhalb der Röhre hervorragenden Teile der Stromzuführungsdrähte der Elektroden über eine verhältnismässig grosse Länge (grösser als 1 cm) mit einem feuerfesten Material, z. B. Magnesiumoxyd oder Alundum, zu umgehen. Vorzugsweise befestigt man die Entladungsröhre auch an einem Sockel, der aus feuerfestem Material, z. B. Porzellan, besteht.
In vielen Fällen ist es empfehlenswert, die Entladungsröhre mit einer Glashülle zu umgeben, die bei eventuellem Bruch der Entladungsröhre einen Schutz gibt. Die mechanische Stärke dieser Hülle kann durch geeignete Formgebung und grosse Wandstärke erhöht werden. Man kann die Entladungsröhre gegebenenfalls auch mit einem metallenen Netzwerk oder einem schraubenförmig gewundenen Draht, z. B. aus Nickelchrom, umgeben. Dieses Netzwerk (oder dieser Draht) kann gegebenenfalls mit einer der Elektroden verbunden werden, wodurch die Zündung erleichtert wird. Die Glashülle kann auch dazu benutzt werden, um ungewünschte Strahlen, z. B. ultraviolette Strahlen, zu absorbieren.
Um die Wärmeabgabe der Enden der Röhre zu verringern, können an diesen Enden auf der Aussenseite der Röhrenwand spiegelnde Metallschichten, z. B. aus Platin, angebracht werden. Diese Schichten können dann dazu benutzt werden, um bei einer bestimmten gewünschten Energieaufnahme der Röhre eine gewünschte Spannung, mit der ein bestimmter Quecksilberdampfdruck zusammenhängt, einzustellen. Dabei wird von einer Entladungsröhre ausgegangen, in der die niedrigste Temperatur hinter den Elektroden auftritt und diese niedrigste Temperatur so gering ist, dass bei Belastung der Röhre mit der gewünschten Energie die Spannung kleiner ist als die verlangte Spannung.
Die Röhrenspannung kann nun dadurch erhöht werden, dass ein Teil der Röhrenenden mit einer spiegelnden Metallschicht bedeckt wird. Diese Schicht wird nun so lange vergrössert, bis man bei konstant gehaltener Belastung zwischen den Elektroden die gewünschte Spannung misst, welche dem verlangten Quecksilberdampfdruck entspricht.
In den Fig. 7-11 sind einige Ausführungsmögliehkeiten der Erfindung schematisch dargestellt.
Die in Fig. 7 dargestellte Entladungsröhre 1 besteht in der Hauptsache aus einem zylindrischen Quarzröhrchen mit einem inneren Durchmesser von 2'7 mm und einem äusseren Durchmesser von 6'5 mm. Die Entladungsröhre ist mit zwei Elektroden 2 versehen, die aus einem hakenförmig gebogenen Wolframdraht bestehen, auf den ein dünnerer Wolframdraht schraubenförmig aufgewunden ist ; dieses Drahtgebilde ist mit einer stark elektronenemittierenden Substanz, z. B. Erdalkalioxyd, bedeckt. Der Abstand zwischen den Elektroden beträgt 10 mm. Die Gliihelektroden 2 werden nicht von einem gesonderten Heizstrom, sondern von dem Entladungsstrom selbst erhitzt und auf die für die Elektronenemission erforderliche Temperatur gebracht.
Die Stromzuführungsdrähte 3 der Glühelektroden bestehen gleichfalls aus Wolframdrähten, die z. B. 0'6 mm dick sind und unter Zwischenfügung eines praktisch alkalifreien Glases der obenbeschriebenen Zusammensetzung durch die Quarzwand hindurchgeführt sind. Der Ausdehnungkoeffizient dieses alkalifreien Glases ist so gering, dass es mit Erfolg unmittelbar an Quarz angeschmolzen werden kann, während trotzdem eine gute Verbindung mit Wolframdrähten erhalten wird.
Zwischen den Wolframeinschmelzdrähten und dem Quarz befindet sich deshalb nur ein Verbindungsmaterial mit hohem Erweichungspunkt, was mit Hinsicht auf die in der Entladungsröhre auftretende Temperatur und Druck von grossem Vorteil ist. Die Verbindung zwischen dem Wolframdraht und dem Quarzzylinder kann zustande gebracht werden, indem zuerst auf dem Draht eine Schicht des obenerwähnten alkalifreien Glases aufgeschmolzen und an das Ende des Quarzzylinders eine halbkugelförmige Kappe aus demselben Glase angeschmolzen wird. In dieser Kappe wird eine Öffnung gemacht, durch die der Wolframdraht mit der darauf angebrachten Glasschicht gesteckt wird, worauf die Kappe mit dieser Glasschicht verschmolzen wird.
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Man kann den Elektrodenraum hinter den Elektroden auch hier eng machen und spitz endigen lassen. Durch geeignete Bemessung des hinter den Elektroden liegenden Teiles des Elektrodenraumes kann man den Dampfdruck beeinflussen.
In der Entladungsröhre 1 befindet sich eine Menge Edelgas, z. B. Argon, unter einem Druck (bei Zimmertemperatur) von z. B. 10 mm ; die Röhre enthält auch eine Menge Quecksilber, das beim Betrieb den Quecksilberdampf liefert und im Überschuss vorhanden sein kann. Obwohl man die Menge Quecksilber derart beschränken kann, dass beim normalen Betrieb die ganze Menge verdampft und der Quecksilberdampf ungesättigt ist, ist diese Beschränkung der Quecksilbermenge nicht nötig, was die Fabrikation der Entladungsröhre erleichtert.
Die Entladungsröhre wird mit Wechselstrom betrieben ; durch geeignete Wahl der Vorschaltimpedanz und der Speisespannung wird die Belastung der Entladungsröhre derart an das Wärmeabgabevermögen und die Abmessungen der Röhre angepasst, dass der Quecksilberdampfdruck mehr als 10 Atm. beträgt. Die Belastung der abgebildeten und frei in der Luft aufgestellten Entladungsröhre kann z. B. 70 Watt betragen bei einer Stromstärke von 0'4 Amp. und einer Spannung zwischen den Elektroden von 240 Volt. Der Queeksilberdampfdruck beträgt dann etwa 75 Atm.
In einem andern Falle betrug der innere Durchmesser 2'3 mm, der äussere Durchmesser 4 mm und der Abstand zwischen den Elektroden 10 mm, während die Belastung 80 Watt war bei einer Stromstärke von 0-39 Amp. und einer Spannung zwischen den Elektroden von 250 Volt, was einem Queeksilberdampfdruck von ungefähr 85 Atm. entspricht.
Eine Entladungsröhre mit innerem bzw. äusserem Durchmesser von 4 bzw. 7 mm und einem Elektrodenabstand von 10 mm zeigte eine Belastung von 55 Watt bei einer Stromstärke von 0'34 Amp. und einer Brennspannung von 200 Volt, wobei der Queeksilberdampfdruck ungefähr 80 Atm. betrug.
Für spezielle Anwendungen kann man die Entladungsbahn auch grösser als einige Zentimeter machen. In einer für die Beleuchtung von Ylugplätzen bestimmten Entladungsröhre wurde der Abstand zwischen den Elektroden z. B. 200 mm und der innere bzw. äussere Durchmesser 2'3 bzw.
6 MNK gewählt. Die gemessene Belastung dieser Röhre war 1000 Watt bei einer Stromstärke von 0-5 Amp., einer Spannung zwischen den Elektroden von 2500 Volt und einem Quecksilberdampfdruck von etwa 30 Atm.
Fig. 8 zeigt eine geeignete Aufstellung der Entladungsröhre gemäss Fig. 7. Die aus der Entladungsröhre hervorstehenden Teile 4 der Stromzuführungsdrähte der Entladungsröhre 1 sind mit isolierenden Röhrchen 5 aus hoehsehmelzendem Material, z. B. Magnesiumoxyd, umgeben und mit metallenen Kappen 6, die um die Enden der Röhrchen 5 herumgreifen, verbunden. Eine dieser Kontaktkappen 6 ruht in der Kontaktbüehse 7, während die andere Kontaktkappe in der Kontaktbüchse 8 ruht, in der sich die Spiralfeder 9 befindet. Die Büchsen 7 und 8 sind mittels der Stäbchen 10 und 11 an dem Sockel 12 befestigt, der aus isolierendem Material, z. B. Porzellan, besteht, und zwei Kontaktstücke 13 aufweist. Die Feder 9 drückt die Entladungsröhre in Aufwärtsrichtung, wodurch diese festgeklemmt wird.
Um die Entladungsröhre herauszunehmen, bewegt man sie entgegen der Wirkung der Feder in Abwärtsrichtung bis die obere Kontaktkappe 6 frei ist von der Büchse 7.
Die Entladungsröhre wird von dem Glaszylinder 14 aus Hartglas von 3 mm Wandstärke umgeben, welcher Zylinder von dem kupfernen Ring 15 getragen wird, der mit Hilfe der Schraube 16 an dem Sockel 12 befestigt ist. Der Zylinder 14 kann aus einem Glas hergestellt werden, das kein ultraviolettes Licht durchlässt. Will man ausser den sichtbaren auch die ultravioletten Strahlen ausnutzen, so kann man den Zylinder 14 aus einem Glase herstellen, das ultraviolette Strahlen durchlässt. In dem Glaszylinder können z. B. am unteren und oberen Ende Öffnungen angebracht werden, durch die die innerhalb des Zylinders vorhandene Luft nach aussen treten kann.
Gemäss Fig. 9 ist die Entladungsröhre 1 fest mit dem Sockel 17 verbunden. An diesem Sockel ist mit Hilfe der Schraube 18 eine metallene Kappe 19 befestigt, die als Reflektor benutzt werden kann und die Glasglocke 20 trägt. Auch in der Kappe 19 und der Glocke 20 können eine oder mehrere Öffnungen ausgespart werden.
Bei der Konstruktion nach Fig. 10 ist die Entladungsröhre 1 auf der Quetschstelle 21 der Glasglocke 22 befestigt, die mit Öffnungen 23 versehen ist. Diese Glocke kann gegebenenfalls auch geschlossen ausgeführt werden und dann evakuiert oder mit einem geeigneten Gase, z. B. Stickstoff, gefüllt werden, wodurch die bisweilen bestehende Gefahr, dass Wasserstoff durch die Quarzwand in die Entladungsröhre hineindiffundiert, vermieden werden kann.
Wie in Fig. 11 dargestellt ist, kann die Entladungsröhre 24 auch U-förmig gebogen sein. Sie ist an dem z. B. aus Porzellan bestehenden rohrförmigen Sockel 25 befestigt, an dem auch die Glasglocke 26 mit Hilfe des an die Glocke gekitteten Metallringes 27 und der Schraube 28 befestigt ist.
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