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Niederdruck-Quecksilberdampf entladungs-Leuchtstofflampe
Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Niederdruck-Quecksilberdampfentladungs-Leuchtstofflampen.
Niederdruck-Leuchtstofflampen mit hohem Wirkungsgrad sind bereits bekannt ; hiebei wird aber dieser Wirkungsgrad erreicht, indem man die Lampe mit niederer Stromdichte und niederer Temperatur, etwa 40 C, betreibt. Die verbreitetste Lampe dieses Typs ist die wohlbekannte 40 Watt-Lampe in einer Röhre von 38 mm Durchmesser und 1220 mm Länge mit einer Argonfüllung. Versuche, diese Lampe beispielsweise mit 200 Watt zu betreiben, verringerten den Wirkungsgrad auf 34 zo seines Höchstwertes, wenn die Lampe unter gleichen Aussenbedingungen arbeitet. Unter diesen Bedingungen steigt die Wandtemperatur der Röhre auf 95 C.
Wenn durch Kühlen der Lampe die Wandtemperatur der Röhre niedrig, z. B. um 450C gehalten wird, würde der Wirkungsgrad bei 200 Watt grösser werden, würde aber nach Forsythe und Adams in ihrem Buch "Fluorescent and other Electric Discharge Lamps (Murray Hill Press, New York City, 1948, Seiten 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 zusätzliche Strom durch die Röhre einen ausgeprägten Abfall in der Ausbeute der Erzeugung der 2537-Ängströmstrah- lung bewirkt". Die 2537-Ângströmstrahlung ist selbstverständlich dieHauptanregung für die lichtemittierende 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 Illuminating 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 Nie- derdruckleuchtstofftampen als nicht miteinander in Einklang zu bringen, ansah. Obwohl Leuchtstofflampen nun schon seit mindestens 18 Jahren kommerziell genutzt werden, sind in der Tat bis jetzt keine Lampen mit sehr hoher Betriebsleistung auf den Markt gebracht worden.
Zum Beispiel wurde bis jetzt keine 200 Watt-Lampe mit einer Röhre von 1220 mm Länge und 38 mm Durchmesser wie bei der gewöhnlichen 40 Watt-Lampe verkauft und dies noch nicht einmal mit einer Röhre doppelter Länge.
Es wurde nun gefunden, dass unter Anwendung von Kühlung der Abfall der Lichtausbeute bei zunehmender Belastung bei Neon und bzw. oder Helium geringer ist als bei Argon und dass infolgedessen die an sich bekannte Kühlung auch wirksamer wird.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Leuchtstofflampe mit sehr hoher Betriebsleistung und hohem Wirkungsgrad zu schaffen, wurde folglich erreicht durch Anordnung einer besonderen Kühlfläche bei gleichzeitiger Verwendung einer Intergas-Lampenfüllung, die bisher für solche Zwecke als ungeeignet angesehen wurde, da im Vergleich zu Argon, bei höherer Belastung ein übermässig grosser Abfall an Leistungsausbeute auftrat. Es wurde also durch vorliegende Erfindung ein technisches Vorurteil überwunden und ein wesentlicher, unerwarteter technischer Fortschritt erzielt.
Demnach betrifft die vorliegende Erfindung eine Niederdruck-Quecksilberdampfentladungs-Leucht- stofflampe, bestehend aus einem röhrenförmigen Glasmantel, in welchem sich eine kleine Menge Queck-
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Gas <SEP> Atomgewicht <SEP> Zusammenstösse <SEP> Verhältnis
<tb> A <SEP> pro <SEP> Längeneinheit <SEP> Pc/A
<tb> PcHe <SEP> 4 <SEP> 17 <SEP> 4,25
<tb> Ne <SEP> 20 <SEP> 5 <SEP> 0,250
<tb> A <SEP> 40 <SEP> 3 <SEP> 0, <SEP> 075
<tb> Kr <SEP> 83 <SEP> 4 <SEP> 0, <SEP> 048
<tb> XJ <SEP> 130 <SEP> 7 <SEP> 0. <SEP> 054 <SEP>
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Bis jetzt schlossen die Fachleute auf Grund der Betrachtung des Pc/A-Verhältnisses, wie es in obiger
Tabelle angegeben ist, dass Argon, Krypton und Xenon, insbesondere die letzten beiden, die kleinsten
Elektronenstreuverluste und damit die höchsten Wirkungsgrade ergeben würden.
Die Schlüsse der Fachleute wurden tatsächlich für niedere Eingangsleistungen bestätigt. Jedoch wurde völlig unerwartet gefunden, dass bei hohen Eingangsleistungen Neon und Helium, die bis jetzt am wenig- sten zur Verwendung geeignet erschienen, tatsächlich die wirksamsten und leistungsfähigsten sind. Sie vermindern tatsächlich den schnellen Abfall des Wirkungsgrades, der bei andern Edelgasen bei Vergrösse- rung der Eingangsleistung auftritt.
Ferner wurde gefunden, dass wegen der Kleinheit der benötigten Kühlzone die Röhre nicht wassergei kühlt oder zwangsläufig luftgekühlt sein muss, sondern dadurch gekühlt werden kann, dass ein Metallstück
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in Kontakt mit dem Glas angebracht wird. Das Metallstück kann eine Metallrippe oder ein Satz solcher Rippen sein, die bzw. der nahe an der Röhre, vorzugsweise unter ihr angebracht ist, da der darüber befindliche Zwischenraum durch die vom Umfang des Kolbens ausgehenden Luftströmungen erhitzt wird.
Es können auch Metallschlitze in einer Halterung unter der Lampe gewissermassen als Kühlrippen verwendet werden.
Das Metall sollte an einer von den elektrodennahen Gebieten etwas entfernten Stelle mit der Röhre in Kontakt treten, da die Strahlung von der Elektrode das Glas erhitzen und die Kühlung erschweren würde.
Es wurde auch gefunden, dass der angestrebte hohe Wirkungsgrad bei hoher Betriebsleistung sich ohne das Erfordernis an irgendwelche Vergrösserungen oder Ausbauchungen oder Ansätze in der Glasröhre selbst erreichen lässt und dass die Röhre daher praktisch gleichen Durchmesser von Ende zu Ende haben 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 sowie aus der folgenden Beschreibung zu entnehmen. Es zeigen : Fig. 1 eine teilweise geschnittene Längsansicht einer Lampe nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 2 eine Ansicht des Endes einer solchen Lampe, Fig. 3 eine Längsansicht einer andern Ausführungsform, Fig. 4 eine graphische Darstellung des Wirkungsgrades in Abhängigkeit von der Eingangsleistung für eine Lampe der"20 Watt"-Röhrengrösse mit verschiedenen Gasfüllungen und Fig. 5 eine graphische Darstellung der Lichtausgangsleistung in Abhängigkeit vom Druck des Füllgases.
In den Fig. 1 und 2 hat die gezeigte Lampe einen Glasmantel l mit einem Leuchtschirmsubstanzbelag 2 auf seiner inneren Oberfläche. Jedes Ende des Mantels 1 ist durch einen mit dem Mantel verschmolzenen Fuss 3 abgeschlossen, der einen Fortsatz aufweist, in den durchlaufende Zuführdrähte 5 und 6 eingeschmolzen sind. Eine Fadenelektrode 7 ist an jedem ihrer Enden mit einem der Zuführdrähte 5,6 verbunden. Sie besteht aus einer gewundenen Wendel aus Wolframdraht, die einen elektronenemittierenden Belag aus Erdalkalioxyd, z. B. Barium-, Strontium-und Calcium-Oxyd trägt, der einen kleinen Prozentsatz, etwa 5 0/0, Zircon-Dioxyd enthalten kann.
Anstatt der gewundenen Wendel kann auch, wie in vielen der heute üblichen Lampen, eine dreifach gewundene Kathode oder irgendeine andere Elektrodenform Anwendung finden.
Um die Herstellung der elektrischen Verbindung zu erleichtern, ist an jedem Lampenende ein Grundkörper 8 fest angebracht, der metallene Kontaktstifte 9, 10 aufweist, die ihrerseits mit den Zufuhrdrähten 5,6 verbunden sind.
Der abgedichtete Mantel l enthält eine Füllung von Neongas, vorzugsweise von ungefähr 1 mm Druck, und einen Tropfen Quecksilber, für den Quecksilberdampf. Um den Start der Lampe zu erleichtem, erhält das Neongas vorzugsweise einen kleinen Zusatz Argon, z. B. 0, 1 Vol.-%.
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einer Mutter 21 gehalten wird. Obwohl die Rippen 12 parallel zum Mantel 1 gezeigt sind, können sie quer zu ihm oder in einem Winkel mit ihm stehen, falls dies gewünscht wird.
Die Lampe nach der Fig. 3 entspricht der in Fig. 1 und 2 veranschaulichten, doch ist jeder Satz von Rippen 12 durch eine einzige grössere Rippe 22 ersetzt, die direkt auf den Mantel l gekittet oder mit ihm dicht verbunden ist.
Als die Lampe bei 200 Watt Eingangsleistung in ruhiger Luft von 270C in Betrieb genommen wurde, zeigte sich, dass die Rippen etwa 20-30oC kühler als der übrige Röhrenteil der Lampe waren. Es zeigte sich ferner, dass das Quecksilber in einer engen Linie auf der inneren Oberfläche des Glasmantels 1 unmittelbar über der Kontaktlinie jeder Rippe mit dem Mantel kondensiert.
Die Lichtabgabe betrug 81 willkürlich lineare Einheiten, während ohne die Rippen die Lichtabgabe nur etwa 60-65 Einheiten der gleichen Skala ausmachte. Durch geringe Vergrösserung der Rippen konnte die Lichtabgabe bis auf einen Maximalwert von 89 Einheiten gebracht werden.
Anstatt der oben beschriebenen Rippen kann auch irgend ein Teil der Halterung, in welcher die Lampe verwendet wird z. B. ein Metallteil mit Schlitz oder ein Satz solcher Schlitze, oder eine andere Form einer"Hitzesenke"in wärmeleitenden Kontakt mit dem Lampenmantel gebracht werden. Ferner kann der Kontakt zwischen den Rippen, den Schlitzen oder einer andern Hitzesenke und dem Mantel 1 durch einen wärmeabhängigen Bimetallstreifen hergestellt werden, so dass eine bestimmte Temperatur trotz grosser Schwankungen der Aussentemperatur aufrecht erhalten werden kann. Das Bimetall würde den Mantel be-
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rühren bis es genügend abgekühlt ist und sich von der Lampe wegbiegt.
Wird die Lampe leicht erwärmt, würde das Bimetall ebenfalls wärmer und käme wieder in Kontakt mit der Lampe, um diese zu kühlen.
In Fig. 4 ist die Wirkung verschiedener Füllgase bei einem Druck von etwa 1/2 mm Quecksilbersäule gezeigt. Die Kurven gelten für sogenannte "20 Watt" -Leuchtstoffröhren, die bei verschiedenen Eingangsleistungen betrieben werden. Die Lampenröhre hatte einen Durchmesser von 38 mm und eine Länge von 610 mm.
Die graphische Darstellung zeigt, dass bis zu einer Eingangsleistung von etwa 70 Watt Argon-Gas den höchsten Wirkungsgrad ergibt, dass zwischen 70 und 150 Watt Neon den höchsten Wirkungsgrad liefert und dass über 150 Watt mit Helium der höchste Wirkungsgrad erreicht wird. Bei 100 Watt Eingangsleistung ergibt Neon eine etwa 35 % grössere Lichtabgabe als Argon.
Die Änderung der abgegebenen Lichtmenge in Abhängigkeit vom Druck ist für eine konstante Eingangsleistung von 200 Watt für eine mit Neon gefüllte Lampe der 40 Watt-Grösse mit Kühlrippen oder Fahnen in Fig. 5 gezeigt. Drücke von 1/2 mm Quecksilbersäule ergeben höchste Lichtabgabe, doch die Lebensdauer der Lampe wird bei solch niedrigen Drucken vermindert, so dass ein Druck von etwa 1 oder 1, 5 mm am günstigsten ist, weil er eine brauchbare Lebensdauer mit geringerer Schwärzung der Enden der Lampe und eine noch etwas höhere Lichtabgabe als bei Füllung mit Argon bei 1/2 mm Druck ergibt.
Ein solch niederer Druck des Argons würde eine sehr kurze Lebensdauer bedingen.
Die Zugabe einer kleinen Menge Argon zu dem Neon erleichtert das Starten der Lampe und ermöglicht einen Start bei niederer Spannung, ohne den Wirkungsgrad der Lichtabgabe merklich zu vermindern. Zufriedenstellend sind etwa 0, 1 Vol.-'% Argon, jedoch kann der Betrag zwischen etwa 0,04 % und 0, 20/0 variiert werden.
Eine Lampe, wie oben beschrieben, in dem gewöhnlichen "40 Watt"-röhrenförmigen Glasmantel, der 1220 mm lang ist und einen Durchmesser von 38 mm hat, mit einer oder mehreren daran angebrachten Kühlrippen oder Fahnen besitzt einen Wirkungsgrad von etwa 50 Lumen pro Watt bei 200 Watt Eingangsleistung in einer Aussentemperatur von 270C und gibt dabei eine gesamte Ausgangslichtleistung von 10 000 Lumen ab. Das wären etwa 8200 Lumen pro Meter oder umgerechnet 164 Watt pro Meter.
Für Lichtausgangsleistungen von etwa 5600 Lumen pro Meter bis 8800 Lumen pro Meter in einem Kolben mit 38 mm Durchmesser, d. h. für eine Leistungsbelastung von etwa 66 Watt pro Meter bis 250 Watt pro Meter in einem solchen Kolben, ist Neon das leistungsfähigste Füllgas, für höhere Lichtausgangsleistungen ist Helium leistungsfähiger.
Auch Mischungen von Helium und Neon lassen sich anwenden. Bei einer Lampe nach der Erfindung mit einer Röhre von 38 mm Durchmesser und 1220 mm Länge und einer Eingangsleistung von 200 Watt kann der Wirkungsgrad 60 Lumen pro Watt betragen. Eine solohe Lampe gibt etwa zweimal so viel Licht ab wie irgend eine andere der zur Zeit gebräuchlichen 1220 mm langen Leuchtstoffröhren und dies bei dem eben angegebenen hohen Wirkungsgrad.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Niederdruck-Quecksilberdampfentladungs-Leuchtstofflampe, bestehend aus einem röhrenförmigen Glasmantel, in welchem sich eine kleine Menge Quecksilber und inertes Gas befindet und an welcher eine aus Rippen od. dgl. bestehende Kühlstelle für einen kleinen Teil der Lampenmantelfläche angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Betriebe der Lampe bei einer ein Vielfaches der Nominalleistung betragenden Leistung die inerte Gasfüllung der Lampe zumindest zum grössten Teil aus Helium und bzw. oder Neon besteht.