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Niederdruck-Quecksilberdampf-Leuchtstofflampe
Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Niederdruck-Quecksilberdampf-Leuchtstofflampen.
Niederdruck-Leuchtstofflampen mit hohem Wirkungsgrad sind allgemein bekannt, hiebei wird aber die- ser Wirkungsgrad erreicht, indem man die Lampe mit niederer Stromdichte und niederer Temperatur, etwa 400 C, betreibt. Die verbreitetste Lampe dieses Typs ist die wohlbekannte 40 Watt-Lampe mit einer
Röhre von 38 mm Durchmesser und 1220 mm Länge. Versuche, diese Lampe beispielsweise mit 200 Watt zu betreiben, verringerten den Wirkungsgrad auf 34 lo seines Höchstwertes, wenn die Lampe unter glei- chen Aussenbedingungen arbeitete. Unter diesen Bedingungen steigt die Wandtemperatur der Röhre auf
950 C.
Wenn durch Kühlen der Lampe die Wandtemperatur der Röhre niedrig, z. B. um 450 C, gehalten wird, würde der Wirkungsgrad bei 200 Watt grösser werden, würde aber - nach Forsythe und Adams, "Fluorescent and other Electric Discharge Lamps" (Murray Hill Press, New York City, 1948 pp. 84-85) - immer noch nur 47 % des Optimums betragen. Forsythe und Adams folgern, dass "diese Daten zeigen, dass selbst bei konstantem Quecksilberdruck (konstanter Wandtemperatur) in der Röhre der zusatzliche
Strom durch die Röhre einen ausgeprägten Abfall in der Ausbeute der Erzeugung der 2537-Angström- strahlung bewirkt."Die 2537-Ängströmstrahlung ist selbstverständlich die Hauptanregung für die licht- emittierende Leuchtschirmsubstanz in der Leuchtstoffröhre.
Ein anderer langjähriger Fachmann auf dem Gebiet der Niederdruckquecksilberlampen, L. J. Buttolph, stellt in einem kürzlich erschienenen Artikel in "Illuminating Engineering", dem offiziellen Blatt der llluminating Engineering Society, (S. 326, Bd. 49, Juli 1954) bei der Besprechung von Niederdruckleuchtstoffröhren fest, dass "Wirkungsgrad und sehr hohe Ausgangsintensität in solchen Lampen unvereinbar sind."
Es versteht sich daher, dass die Technik sehr hohe Betriebsleistung und hohen Wirkungsgrad bei Niederdruckleuchtstofflampen als nicht miteinander in Einklang zu bringend ansah. Obwohl Leuchtstofflampen nun schon seit mindestens 18 Jahren kommerziell benutzt werden, sind in der Tat bis jetzt keine Lampen mit sehr hoher Betriebsleistung auf den Markt gebracht worden.
Demzufolge ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Leuchtstofflampe mit sehr hoher Betriebsleistung und hohem Wirkungsgrad zu schaffen.
Dieses Ziel lässt sich erreichen, wenn ein kleiner Teil der Lampe auf niedriger Temperatur erhalten und zu diesem Zweck zwischen mindestens einer der Elektroden und dem zugehörigen Röhrenende wenigstens ein lichtreflektierender Schirm vorgesehen wird, wobei erfindungsgemäss der Schirm bzw. die Schirme quer zur Längsachse des Rohres verlaufen, zur Gänze zwischen der zugehörigen Elektrode und dem Röhrenende angeordnet sind und der Rand jedes der Schirme von der Rohrwandung absteht. Am Rohrende wird dadurch eine kühle Zone zur Kondensation von Quecksilber geschaffen, wodurch dort dessen Dampfdruck niedrig bleibt.
Bei Lampen kleiner Leistung tritt, im Gegensatz zu den hierbehandelten Lampen hoher Leistung, während des Betriebes im Freien oder in kalten Räumen eine starke Abkühlung des zwischen den Elektroden verlaufenden Rohres auf, die ein unerwünschtes Abströmen des Quecksilberdampfes in diesen Lampenbereich nach sich zieht. Um diesem Übelstande zu begegnen, ist vorgeschlagen worden, die von geheizten Elektroden ausgehende Strahlung mittels hinter diesen angeordneter, reflektierender Flächen
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zu sammeln und in den Raum zwischen den Elektroden zu lenken, der dadurch aufgeheizt wird. Eine andere bekanntgewordene Massnahme zielt darauf ab, das Vorhandensein einer ausreichenden Menge flüssigen Quecksilbers an den Lampenenden zu sichern.
Zu diesem Zwecke sind hinter den Elektroden durchbrochene Wände angebracht, deren besonders ausgestaltete Öffnungen flüssiges Quecksilber zurückhalten, Quecksilberdampf jedoch passieren lassen.
Die Massnahmen sind jedoch offensichtlich durch Problemstellungen bedingt, die von der vorliegenden abweichen.
Die mit erfindungsgemäss ausgerüsteten Niederdruck-Quecksilberdampf-Leuchtstofflampen erzielbaren Ergebnisse sind völlig unerwartet und überraschend : Eine in einem 40-Watt-Kolben untergebrachte 200-Watt-Lampe arbeitet mit einem Wirkungsgrad, der 80 % desjenigen beträgt, den eine 40 WattLampe aufweist. Ein solcher Wirkungsgrad ist weitaus grösser als sich nach Forsythe und Adams erwarten lässt, die bei derselben Eingangsleistung und Lampengrösse nur 47 % als erreichbar ansehen.
Ferner wurde gefunden, dass der hohe Wirkungsgrad bei sehr hoher Temperatur der Röhrenwand erreicht werden kann, selbst bei 95 C, für welche Forsythe und Adams nur 34 % des optimalen Wirkungsgrades erreichten, vorausgesetzt, dass ein kleiner Bereich des Kolbens kühl gehalten wird. Die Fläche des kühlen Gebietes kann weniger als 1 % der Kolbenfläche betragen und ein kühler Fleck von nur etwa 1, 5 mm Durchmesser ist ausreichend. Der ganze lichtemittierende Teil der Röhre arbeitet also bei hoher Temperatur, ausgenommen eine kleine kühlere Zone am Ende des Kolbens.
Es wurde ferner gefunden, dass wegen der kleinen benötigten Kühlfläche die Röhre keine Wasserkühlung oder zwangsweise Luftkühlung aufweisen muss, sondern dadurch gekühlt werden kann, dass zumindest ein Ende der Lampe gegen die Strahlung der Entladung abgeschirmt wird. Zwischen einem Ende der Lampe und der Kathode an jenem Ende kann ein Hitzeschirm angeordnet werden. Mit dieser, wie auch mit andern Küh1methoden lässt sich der Vorteil der Verwendung von Neon oder Heliumgas bei niederem Druck ebenfalls ausnutzen.
Der Schirm soll einen gewissen Abstand vom Ende der Lampe aufweisen und sein Durchmesser soll kleiner sein als der innere Durchmesser der Lampenröhre, um eine Zirkulation des Dampfes durch die Röhre hindurch zu ermöglichen. Sofern der Kolben einen Quetschfuss aufweist, soll der Durchmesser des Schirms grösser sein als die Länge des Quetschfusses quer zur Längsachse der Lampe, um sicher zu stelllen, dass das Quecksilber nicht zwischen den Zuführdrähten kondensiert und diese etwa kurzschliesst, sondern die Kondensation an einer andern Stelle stattfindet.
Falls die Lampen mit extrem hoher Ausgangsleistung betrieben werden, wie etwa mit 200 Watt in einem Kolben von 1220 mm Länge und 38 mm Durchmesser des sogenannten 40 Watt-Types, können zwei etwas auseinanderliegende Schirme dieser Art angewendet werden, um die gewünschte kühle Stelle am Ende des Kolbens zu schaffen.
Die Schirme sollen aus reflektierendem Material, wie Metall, bestehen. Nichtreflektierende Schirme absorbieren die sie erreichende Energie anstatt sie zu reflektieren, werden dabei selbst eine hohe Temperatur erreichen und das Ende der Lampe aufheizen.
Weiterhin wurde gefunden, dass der volle hohe Wirkungsgrad bei hoher Ausgangsleistung nicht mit einer Füllung von gewöhnlichem Argon oder Argonkryptongemischen erreicht werden kann, sondern dass dazu Neon-oder Heliumgas verwendet werden muss. Auch muss der Druck niedriger sein, z. B. l mm Quecksilbersäule betragen, wenn die Lampe besonders beim ersten Start schnell ins Gleichgewicht kommen soll.
Dass Neon und Helium den Wirkungsgrad von Niederdruckleuchtstofflampen vergrössert, war bisher nicht bekannt und in der Tat wusste man, dass die Verwendung von Neon in gewöhnlichen Leuchtstoffröhren niederer Ausgangsleistung den Wirkungsgrad herabsetzt gegenüber dem, der bei Anwendung von Argon in solchen Lampen erreicht wird, wie dies von Meister und Heinz (ll1uminating Engineering, Bd. 47, Nr. 7, März 1952, S. 162, Fig. 6) gezeigt wird.
Tatsächlich wurde von diesen Fachleuten die Verwendung von Krypton empfohlen, weil Krypton eines der schwersten der Edelgas ist und die schwerere Masse der Krypton-Atome einen kleineren mittleren Energieverlust der Elektronen beim Zusammenstoss jnit den Atomen des Füllgases während der Entladung ergibt. Ferner ist der Querschnitt für elastische Streuung für Neon-und Heliumatome grösser als
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diesem Grunde einen grösseren Gesamtverlust ergibt.
Die nachfolgende Tabelle bringt die Atomgewichiszahlen, die Zahl der Zusammenstösse pro Längeneinheit (mit 1 eV-Elektronen) für die verschiedenen Edelgase zusammen mit dem Verhältnis der letzteren zur ersteren.
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<tb>
<tb>
Gas <SEP> Atomgewicht <SEP> Zusammenstösse <SEP> pro <SEP> Verhältnis
<tb> JA) <SEP> Längeneinheit <SEP> (Pc) <SEP> (Pc/A
<tb> He <SEP> 4 <SEP> 17 <SEP> 4, <SEP> 25 <SEP>
<tb> Ne <SEP> 20 <SEP> 5 <SEP> 0, <SEP> 250 <SEP>
<tb> A <SEP> 40 <SEP> 3 <SEP> 0, <SEP> 075 <SEP>
<tb> Kr <SEP> 83 <SEP> 4 <SEP> 0. <SEP> 048
<tb> Xe <SEP> 130 <SEP> 7 <SEP> 0, <SEP> 054 <SEP>
<tb>
Bisher schlossen die Fachleute auf Grund der Betrachtung des Pc/A-Verhältnisses, wie es in obenstehen- der Tabelle wiedergegeben wird, dass Argon, Krypton und Xenon, insbesondere die letzten beiden, die geringsten Elektronenstreuverluste und damit den höchsten Wirkungsgrad ergeben wurden.
Die Schlusse der Facaleute wurden tatsächlich für niedere Eingangsleistung bestätigt. Es wurde je- doch nun völlig unerwartet gefunden, dass die von allen Gasen bisher am wenigsten geeignet gehalte - nen Gase Neon und Helium bei hohen Leistungen tatsächlich die wirksamsten und leistungsfähigsten sind.
Sie verringern den schnellen Abfall des Wirkungsgrades, der bei den andern Edelgasen bei Vergrösserung der Eingangsleistung auftritt.
Der beträchtliche Unterschied zwischen der Anwendung der gewöhnlichen Argonfüllung und der
Neonfüllung nach der Erfindung in Lampen mit oben beschriebenen Schirmen wird klar aus dem folgenden
Vergleich von zwei röhrenförmigen gläsernen Leuchtstofflampen von 2440 mm Länge und 38 mm Durch- messer, die mit einem einzigen inneren reflektierenden Schirm an jedem Ende zwischen dem Lampen- ende und der Kathode ausgerüstet waren und bis auf das benutzte Gas einander völlig gleichen. Ferner wird gezeigt, wie sich eine alte handelsübliche "80 Watt"-Lampe derselben geometrischen Abmessung bei einem Betrieb mit 200 Watt Eingangsleistung verhält. Diese alte Lampe weist Argon mit einem Druck von etwa 2 mm Quecksilbersäule und eine Quecksilberfüllung, aber keinen Schirm auf.
Die erste Lampe enthielt Neon bei 1 mm Quecksilberdruck, die zweite Argon beim selben Druck.
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<tb>
<tb>
Gas-Füllung <SEP> Volt <SEP> Ampere <SEP> Watt <SEP> Lumenausgangsleistung <SEP>
<tb> Neon <SEP> (Schirm) <SEP> 180 <SEP> 1, <SEP> 3 <SEP> 200 <SEP> 14400
<tb> Argon <SEP> (Schirm) <SEP> 102 <SEP> 2, <SEP> 2 <SEP> 200 <SEP> 9900 <SEP>
<tb> Alte <SEP> Lampe <SEP> (Argon, <SEP> 103 <SEP> 2, <SEP> 1 <SEP> 200 <SEP> 8000
<tb> ohne <SEP> Schirm)
<tb>
Vor der Messung der Daten der in obenstehender Tabelle aufgeführten Lampen, wurden diese zur Stabilisation zuvor 2 Stunden in Betrieb genommen.
Es wurde gefunden, dass der angestrebte hohe Wirkungsgrad bei hoher Eingangsleistung, ohne dass irgendeine Vergrösserung oder Ausbauchung der Glasröhre selbst erforderlich wäre, erreicht werden kann, und dass die Röhre folglich einen praktisch einheitlichen Durchmesser von einem Ende zum andern aufweisen kann. Die Röhre kann daher frei rollen und ist für eine maschinelle Massenproduktion geeignet.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung sind aus den beiliegenden Darstellungen von Ausführungsbeispielen der Erfindung sowie aus der folgenden Beschreibung zu entnehmen. Es zeigen : Fig. l die Darstellung einer Lampe nach einer Ausführungsform der Erfindung, Fig. 2 im grösseren Massstab eine Darstellung der Lampensockelausführung dieser Ausfuhrungsform, Fig. 3 eine Aufsicht auf die LampensockelausfUhrung nach der Fig. 2, Fig. 4 eine Darstellung einer weiteren Lampensockelausführung nach einer Ausführungsform der Erfindung und Fig. 5 die Aufsicht auf die Lampensockelausführung nach der Fig. 4.
Bei der Lampe der Fig. l hat eine Glasröhre 1 an ihrer inneren Oberfläche einen Belag 2 aus Leuchtschirmsubstanz und ist an jedem Ende luftdicht zu einem Fuss 3 zusammengeschmolzen. Letzterer weist eine zu dem üblichen (in Fig. l nicht gezeigten) Absaugrohr führende Öffnung 4 auf, durch welche hindurch die Lampe bei der Herstellung ausgepumpt wird, das aber in die fertiggestellte Lampe eingeschmolzen wird.
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Die in den Stempel 5 des Fusses 3 dicht eingesetzten Zuführdrähte 6 und 7 führen aus der Lampe her- aus, um Kontakt mit den Kontaktstiften 8,9 zu erhalten, die aus dem auf das Ende der Röhre 1 gekitte- ten Grundkörper 10 herausragen. Der Grundkörper 10 kann von gewöhnlichem Metalltyp sein mit einem (nicht gezeigten) Isolierteil, welcher die Stifte 8 und 9 trägt.
Im Innern der Röhre stützen die Zufuhrdrähte die fadenförmige Elektrode 11 ab, die aus gewunde- nem Wolframdraht gefertigt sein kann, vorzugsweise als Wendel gewunden oder dreifach gewunden ist, in allgemein bekannter Art, und die eine gewisse Menge elektronenimittierende Substanzen, wie die üblichen Erdalkalioxyde, vorzugsweise unter Zusatz einer kleinen Menge von Zirkon-Dioxyd, trägt.
In den Fig. 1 und 3 liegt die Achse der Drahtwendel 11 vorzugsweise praktisch längs der Achse der
Röhre 1, wobei die Wendel von den Zufuhrdrähten 6 und 7 gehalten wird, die nach der Achse zu abge- bogen sind, um die Wendel in ihrer Lage zu halten. Die axiale Lage vermindert den Anteil der von der
Wendel zum Ende der Lampe hin abgestrahlten Wärme.
Der starke Strom, der mit hoher Ausgangsleistung betriebenen Lampe kann eine gewisse Zerstörung oder einen Zerfall der Drahtwendel oder ihres Belages hervorrufen und deshalb wird der zylindrische Me- tallschirm 12 um die Wendel herum, aber von ihr getrennt angeordnet und mit dem Zuführdraht 7 ver- bunden. Der Schirm 12 vermindert während der Halbperiode, bei welcher die Drahtwendel 12 Anode ist, den. Strom zur Wendel und sammelt auch etwa von der Kathode abgelöste Partikel auf. Um die Hitze wirkungsvoll abzustrahlen und seine Temperatur niedrig zu halten, ist der Schirm vorzugsweise geschwärzt, z. B. mit einem Kohlenstofftiberzug.
Die reflektierenden Schirme 13 und 14 können z. B. aus Aluminium bestehen und werden von den
Zuführdrähten 6 und 7 getragen. Jeder Schirm soll zumindest gegen einen der Zuführdrähte isoliert sein, um ein Kurzschliessen derselben zu verhüten. Z. B. kann der Schirm 13 durch Aufschweissen metallisch mit dem Zufuhrdraht 7 verbunden und gegen den Zuführdraht 6 durch eine keramische Isolierhülse 15 isoliert sein. In ähnlicher Weise kann der Schirm 14 mittels einer keramischen Isolierhülse 16 gegen den Zuführdraht 7 isoliert und mitdem Zuführdraht 6 metallisch verbunden sein. Nach Wunsch können beide Schirme elektrisch mit dem gleichen Zuführdraht verbunden und beide gegen den andern Zuführdraht isoliert sein, obwohl die beschriebene wechselseitige Verbindung vorzuziehen ist.
Für die Schirme lässt sich auch Nickel oder ein anderes reflektierendes Metall verwenden.
Wie in Fig. 3 gezeigt. können die Schirme 13 und 14 mit Öffnungen versehen sein, durch welche die Zuführdrähte 6 und 7 hindurchreichen. Die Scheiben weisen vorzugsweise einige radiale Kerben 28 auf, um den Prozess des Bombardierens der Schirme zu unterstützen, um während des Betriebs störende Verunreinigungen von ihnen zu entfernen, wobei bei der Bombardierung auch die Induktion von Hochfrequenzströmen in den'Schirmen 13 und 14 durch Anordnung einer hochfrequenzstromführenden Spule rund um die Röhre 1 auftritt.
In grösserem Massstab ist die Schirmkonstruktion in Fig. 2 veranschaulicht, die auch das von der Auspumpöffnung 4 ausgehende Auspumprohr 17 erkennen lässt. Die L-förmigen Nasen 18 und 19 sind an die Zuführdrähte 7 bzw. angeschweisst. wobei die Nase 19 entsprechend ausserdem an Schild 14 und Nase 18 an Schild 13 angeschweisst sind, um diese zu tragen.
Im allgemeinen ist es erwünscht, den oberen Schild 13 mit radialen Kerben 28 zu versehen, um die Aufheizung zwischen den beiden Schirmen 13 und 14 auszugleichen und den zylindrischen Schirm 12 zur Beseitigung der während des Betriebs absorbierten Gase zu verwenden, wenn eine Aufheizung durch Hochfrequenzinduktion erfolgt.
In den Fig. 4 und 5 ist eine andere Lampensockelausführung gezeigt. Fuss 3, Stempel 5, Auspumprohr 17 und Zuführdrähte 6 und 7 sind dieselben wie in Fig. 2 und 3. Es wird indessen nur ein einziger reflektierender Schirm 14 verwendet und da er wie zuvor mit dem Zuführdraht 7 über eine Nase 14 verbunden ist, wird er gegen den Zuführdraht 6 mittels einer Glasröhre 22 isoliert.
Die Zufllhrdrähte 6 und 7 sind bei 23,24 nach aussen abgekröpft und ihre Enden sind über die Enden der drahtförmigen Elektrode 25 geklemmt, die von handelsüblichem Typ in 100 Watt-Leuchtstofflampen mit einer Länge von 1220 mm und einem Durchmesser von 38 mm sein kann. Jede der Hilfselektroden.
26,27, deren jede einen auf fast seiner ganzen Länge parallelund etwas oberhalb der Fadenelektrode 25 verlaufenden Draht aufweist, ist mit einem der Zuführdrähte 6 und 7 verschweisst, um etwas von dem Strom zu sammeln, wenn die Elektrode während aufeinanderfolgender Halbperioden des allgemein zur Entladung verwendeten Wechselstromes als Anode wirkt.
Dieser Kathodentyp ist z. B. besonders nützlich in einer Lampe mit einer Leistungsbelastung von etwa 82 Watt pro Meter. Die Wendeln können sich in der gezeigten Querlage befinden. Die Lage der Wendeln 11, 25 und der Schirme 13, 14 kann sehr wichtig sein. Je weiter die Elektrode vom Lampenende
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entfernt ist, desto kühler wird das Lampenende sein, aber desto kürzer wird auch der beleuchtete Teil der Lam- penröhre sein. Die Hauptentladung füllt nur den Teil der Lampenröhre zwischen den Elektroden.
Es wurde gefunden, dass in Lampen mit wie in den Fig. 2 und 3 veranschaulichten Elektroden mit 200 Watt Eingangsleistungfür eine Lampe von 1220 mm äusserer Länge und etwa- 28 mm Druchmesser, der Schirm 14 etwa 10 mm , vom Boden des zylindrischen Schirms 12 und etwa 10mm vom oberen Ende des Quetschfusses 5 entfernt ange- bracht werden kann. Da das obere Ende des Quetschfusses 5 etwa 40 mm vom Röhrenende entfernt ist, befindet sich dex Schirm 14 etwa 500 mm von diesem Ende entfernt. Der Schirm 13 liegt etwa 5 mm vor dem Schirm 14.
Für verschiedene Abstände des Schirms 14 vom Röhrenende und für 200 Watt Eingangsleistung in eine Röhre von 1220 mm Länge und 28 mm Durchmesser ergeben sich am Ende der Rohre, wo das Quecksilber kondensiert, folgende Temperaturen.
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<tb>
<tb>
Abstand <SEP> Temperatur
<tb> 46mm <SEP> 420C <SEP>
<tb> 50mm <SEP> 390 <SEP> C <SEP>
<tb> 64 <SEP> mm <SEP> 370 <SEP> C
<tb>
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