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Elektrische Glühlampen
Die Erfindung betrifft elektrische Glühlampen,
speziell Glühlampen mit verbesserten Glühfäden aus Wolfram-Rhenium-Legierungen mit
neuen metallurgischen Charakteristiken, die dem Glühfaden während der Lebensdauer
der Lampe erhöhte Beständigkeit gegen mechanische Stöße und Vibrationen verleihen.
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Der Ausfall von Glühlampen wird im allgemeinen durch den Ausfall des
GlUhfadens verursacht. Bei vielen Anwendungen ist es aufgrund der Personalkosten
oder der Umständlichkeit des Auswechselns erwünscht, maximale Lebensdauer der Lampe
und Zuverlässigkeit ohne Rücksicht auf den Wirkungegrad der Lampe und die Kosten
der Lampe zu erreichen. Verbesserungen der Lebensdauer und der Zuverlässigkeit sind
besonders wichtig bei Anwendungen, bei denen mechanische Stöße und Erschütterungen
auftreten, die tUr Standardlampen schädlich sind. Beispiele hierfür sind Haushaltgeräte,
Nähmaschinen, Schilder und Plakattafeln, Schaukästen, Beleuchtung auf dem Transportgeblet
und in vielen anderen Bereichen.
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Mehrere Typen von GlUhfäden wurden bisher mit gewissem Erfolg fUr
Zwecke verwendet, bei denen die Lampen starken Stößen und Erschütterungen ausgesetzt
sind. Zu den für diese Zwecke verwendeten Glühfäden gehören die Produkte
der Handelnbezeichhungen
"218*, 1181.11" und 1'N.F.". Der GlUhfaden
u218ff basiert auf Wolfram, das mit einem das Kornwachstum fördernden Material verarbeitet
ist. Die Legierung t'8111" wird im wesentlichen in der gleichen Weise wie die Legierung
"218", jedoch in kleineren Mengen hergestellt und wird nach einem etwas anderen
Verfahren vorn ursprünglichen Block zum Draht verarbeitet. Die Legierungen 't218"
und "8111" bestehen beide im wesentlichen aus reinem Wolfram, in das Zusätze,
die das Kornwachstum fördern, z.B. Aluminium, Kalium und Silicium, während der nach
Methoden der Metallkeramik erfolgenden Verarbeitung des Materials eingearbeitet
worden sind. Der Draht "N.F." wird nach ähnlichen Verfahreh hergestellt, jedoch
,werden hierbei Zusätze von feinpulverigem Thoriumoxyd verwendet, die das Kornwachstum
verhindern, anstatt es durch die fördernden Zusätze, die in "218" und
u8111" verwendet werden, zu begünstigen. So sind die aus Draht l'2189' und
"8111" hergestellten Glühfäden darauf abgestellt, längliche Kornstrukturen
auszubilden, die gegen Durchhängen und Durchbiegen beständig sind. Dagegen werden
Fäden aus "N.F."-Draht in Lampen verwendet, bei denen eine feinkörnige gleichachsige
Struktur im Faden erforderlich ist, wo im allgemeinen wenigstens einige Körner sich
quer Über den kleinsten Querschnitt des Fadens erstrecken und diese Körner in allen
Richtungen ziemlich gleich groß und nicht länglich sind.
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Ein weiterer Glühfadendraht, bei dem der Zusatz von Rhenium in entscheidend
wichtigen Mengen zu Wolfram vorgenommen wird, das mit einem das Kornwachstum fördernden
Material behandelt worden ist - beispielsweise 3% Rhenium -, ist als
Draht n3D218" bekannt (Handelsbezeichnung der Anmelderin), der duktilere, durchhangbebtändige
Fäden mit länglicher Kornstruktur ergibt. Dieser Draht ist im Handel erhältlich.
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Die Erfindung stellt insofern eine Verbesserung in der Verwendung
der Wolfram-Rheniurn-Legierung des Drahts ".3D218" dar, als eine neue und entscheidend
wichtige Kornstruktur im GlUhfaden beim Einbau in die Lampe während ihrer Herstellung
ausgebildet
wird. Als Folge zeichnet sich eine so konstruierte Lampe dadurch aus, daß sie erhöhten
Widerstand gegen mechanische Stöße und Erschütterungen während der normalen Lebensdauer
aufweist.
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Die Erfindung ist daher besonders im Zusammenhang mit Stößen und ErschUtterungen
anwendbar, wenn eine Lampe abgeschaltet oder kalt ist". Bekanntlich fielen die bekannten
Lampen häufig während der Abkühlung aus, oder wenn der Glühfaden sich in verhältnismäßig
kaltem Zustand von beispielsweise weniger als 10000C befand. Diese Bedingungen liegen
häufig vor, wenn Lampen für Seintillationen oder zum Aufblitzen verwendet werden,
wie es beispielsweise bei Signallampen oder Lampen an Straßensperren oder -hindernissen
der Fall ist.
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Die Erfindung kann eine weitere Anwendung für Lampen von geringer
Wattzahl und hoher Betriebsspannung finden, z.B. für Lampen von 10 W und
120 V. In diesen Fällen müssen sehr feine Fäden, d.h. von geringem Durchmesser,
verwendet werden, und diese Fäden sind bekanntlich brUchig und erschütterungsempfindlich.
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Zum besseren Verständnis wird die Erfindung nachstehend ausführlich
in Verbindung mit der Abbildung beschrieben.
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Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer Lampe mit einem erfindungsgemäßen
Glühfaden.
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Fig. 2 ist eine schematische Ansicht eines Teils eines gewendelten
Fadens und zeigt die Ebene, in der Figg.
3A und 3B liegen.
| Fig. 3A ist ein schematischer Querschnitt durch vier
Windun- |
| gen eines Glühfadens an der SchnittliniJin Fig. 2. Veran- |
schaulicht wird die Mikrostruktur eines erfindungsgemäßen Fadens zu Beginn der Lebensdauer
der Lampe, in der der Faden angebracht ist.
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Fig. 3B ist eine schematische Darstellung ähnlich Fig. 3A,
zeigt
jedoch die Struktur, nachdem die Lampe einen großen Teil ihrer erwarteten Lebensdauer
gebrannt hat.
Gegenstand der Erfindung ist eine Glühlampe mit einem
aus einer Wolfram-Rhenium-Leigerung bestehenden Glüh-
faden, der zu Beginn
der Lebensdauer der Lampe eine metastabile Kristallstruktur hat. Da der Ausdruck
timetastabilt', der sich auf eine veränderliche Kristallstruktur bezieht, zwangsläufig
relativ ist, wird er hier in Bezug auf die Auslegungstemperatur und Brennzeit sämtlicher
Lampentypen gebracht, in denen der Glühfaden verwendet wird. Diese Struktur besteht
anfänglich aus einem Gemisch von zwei verschiedenen Kristalltypen, nämlich einmal
aus feinen, gleichachsigen Körnern und zum anderen aus länglichen Körnern. Bedingt
durch die metastabile Natur der Kristallstruktur im erfindungsgemäßen Glühfäden
verändert sich die ursprüngliche Struktur während der normalen Lebensdauer der Lampe
überwiegend zu einer Struktur aus länglichen Körnern. Demgemäß trägt eine solche
ursprüngliche gemischte Kristallstruktur und die stetige Änderung der Kristallstruktur
während der Gebrauchsdauer der Lampe erheblich zu den verbesserten Eigenschaften
der Lampe bei. Die Legierung der Glühfäden in Lampen gemäß der Erfindung besteht
im wesentlichen aus Wolfram mit Rhenium in Mengen von etwa 0,1 bis
7 %, vorzugsweise etwa 3 %, Rhenium zusammen mit Zusätzen, die das
Kornwachstum fördern. Die in Fig. 1 darge.stellte Lampe ist zur Verwendung
in Reklameschildern vorgesehen. Sie besteht'aus einer lichtdurchlässigen Glashülle
1, einem Fuß oder Sockel 2, der das einzige offene Ende der Glashülle oder
Kugel umschließt.und eine mit Gewinde versehene Hülse 3 aufweist, die in
eine Fassung geschraubt werden kann und als elektrischer Kontakt dient, während
ein Plättehen 4 am Ende des Sockels als weiterer elektrischer Kontakt für die Zuleitung
von Strom zum Glühfaden dient. Die beiden elektrischen Kontakte 3 und 4 des
Sockels 2 sind durch ein
Isoliermaterial 5 elektrisch voneinander
getrennt. Im Sockel 2 ist ein Glasstab 6 angebracht, der die Zuleitungen
7 und die Glühfadenhalter 8 trägt, die ihrerseits den Glühfaden
9 halten. Wenn der Glühfarlen 9 die spezielle Kristallstruktur gemäß
der Erfindung hat und aus der erfindungsgemäßen Legierung besteht, hat die Lampe
stark verbesserte Eigenschaften hinsichtlich Lebensdauer und Zuverlässigkeit. Die
Lampe kann evakuiert oder mit einem Gas gefüllt sein, das gegenüber dem
Glüh-
faden und den anderen'Teilen der Lampe inert ist.
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Fig. 2 zeigt einen Teil eines gewendelten Glühfadens bei
10 und veranschaulicht die Schnittebene für die Querschnittsansichten von
Fig. 3 A und 3 B.
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In Fig.
3 A und
3 B sind die feinen gleichachsigen Körner,
die für eine "N.F."-Drahtstruktur typisch sind, bei
11 und die länglichen
Körner, die für die Struktur "218" typisch sind,bei 12 dargestellt. In Fig.
3 B haben einige der länglichen Körner eine solche Größe, daß sich sie den
größten Teil der Querschnittsdecke des Glühfadens, z.B. bei
13, einnehmen.
Es ist für die länglichen Kristalle erwünscht, daß sie in der dargestellten Weise
kleine Winekel mit der Drahtoberfläche bilden, um ein Absplittern der großen Kristalle
oder ein Gleiten längs der Korngrenzen,
| die quer zur Fadendicke li 29?.n. zu vermeiden. FUr den Fach- |
| mann wird es verständlich a4-ad, daß die idealisierten |
schematischen Mikrostrukturen in Fig.
3 A und
3 B nicht auf jedem
Querschnitt durch einen Gl W aden erscheinen, sondern vielmehr typische Strukturen
darstellen. Nicht jeder Querschnitt muß die dargestellte gemischte Kornstruktur
zeigen, solange die Zeichnungen typisch sind. Während die Kristallstruktur von uN.F."-Draht
gute Festigkeit gegen Erschütterungen hat., wandelt er sich während der Lebensdauer
der Lampe nicht in längliche Kristalle
um. Dies ist in erster Linie
darauf zurückzuführen, daß dispergierte Thoriumoxydteilchen das Kornwachstum verhindern,
und daß die vorteilhaften Wirkungen der Zusätze "21811-Draht, die das Kristallwachstum
in Längsrichtüng des Fadens bevorzugt vor der Querrichtung lenken, im "N.F."-Draht
nicht vorhanden sind., der diese Zusätze nicht enthält.
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Bei den Glühfäden gemäß der Erfindung ist es dagegen möglich, die
Vorteile der Eigenschaften sowohl der nN.F."-Kristallstruktur al s auch der "21811-Kristallstruktur
auszunutzen. Rhenium in Legierungen von erfindungsgemäßen Glühfäden steigert mehrere
vorteilhafte Wirkungen: Es erhöht die Umkristallisationstemperatur und ermöglicht
dadurch die Angabe geeigneter Wärmebeshandlungen zur Ausbildung der gewUnschten
metastabilen Kristallstruktur, beseitigt verunreinigende Elemente und erhöht in
anderer Weise die Duktilität des Drahts und begünstigt die Ausbildung einer feinen
Kornstruktur teilweise durch die Nichtübereinstimmung des Kristallgitters zwischen
Rhenium-und Wolfram-Atomen in fester Lösung. Die Zusätze des Typs "21811
in erfindungsgemäßen Legierungen erhöhen ferner die Umkristallisationstemperatur
des Glühfadens und steigern das Wachstum des länglichen Korns vor und während des
Betriebs der Lampe.
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Für die Lampen gemäß der Erfindung wird der Legierungsdraht "3D218"
verwendet. Während des Entwicklungsprogramms, das zur Erfindung von Wolfram-Rhenium-Llegierungen
mit kornwachstumsfördernden Zusätzen führte, wie sie in dem Draht "3D218" verwendet
werden, wurde die Legierung im allgemeinen in Form von Fäden oder Drähten erprobt,
die zu länglichen Kornstrukturen umkristUisiert waren, die typisch für die gegen
Durchhängen sehr beständigen handelsüblichen
Legierungen 1121C
und"8111" sind. Man war somit der Annahme, daß die mit dem Zusatz versehene Wolfram-Rhenium-Llegierung
in erster Linie in Lampen wertvoll sein würde, die bei sehr hohen Temperaturen arbeiten,
bei denen der Widerstand gegen Durchhängen sehr wichtig sein würde. Es wurde jedoch
festgestellt, daß diese Wolfram-Rhenium-Legierung eine Kornstruktur ausbildet, die
von derjenigen des Drahts 112181t.11811111 oder "N.F." sehr verschieden ist, wenn
diese Legierung in bestimmter Weise durch kurzzeitiges Aufglühen bei hoher Temperatur
wärmebehandelt wird. Die Kristallstruktur, die der Glühfaden gemäß der Erfindung
auszubilden vermag, vereinigt in sich bestimmte vorteilhafte Merkmale der Strukturen
"218"
oder 11811111 mit anderen Vorteilen der "N.F."-Struktur. Es wurde gefunden,
daß diese Struktur ein Zwitter der beiden anderen Strukturen ist. Bei entsprechender
Wärmebehandlung bilden Drähte aus der erfindungsgemäßen Legierung eine Kornstruktur
aus, die überwiegend feinkörnig und gleichachsig ähnlich derjenigen des 'tN.F.t-Drahtes
ist. Innerhalb der gesamten Struktur sind jedoch im allgemeinen einige längliche
Körner dispergiert. Infolge der metastabilen Natur dieser Struktur in Legierungsfäden
in erfindungsgemäßen Lampen wandelt sich die Struktur während der Lebensdauer der
Lampe stetig mehr und mehr in die längliche Struktur des Typs "218". WährEnd die
feine gleichachsige Kornstruktur optimal für den Widerstand gegen Erschütterungen
zu sein scheint, unterliegt sie stärker dem Durchhängen als die Struktur "218".
"N.F."-Draht hängt stärker durch bzw. dehnt sich stärker als der "21811-Draht. Die
anfängliche Gegenwart einiger Kristalle des Typs "218" sowie das allmähliche Wachstum
von
länglichen Körner n trägt stark zu dem Widerstand gegen Durchhängen bei Glühfäden
in erfindungsgemäßen Lampen bei. Zwar findet ein gewisses Kornwachstum in "N.F."-Draht
während der Lebensdauer der Lampe statt, jedoch führt es nicht zu der nichtdurchhängenden
längliehen Kornstruktur mit Korngrenzen, die kleine Winkel zu den Oberflächen des
Drahts in der vorteilhaften Weise des Glühfadens "218" bilden. Glühfäden
des Typs tt21811 und "8111" zeigen während der Lebensdauer der LamPe keine
wesentlichen Veränderungen der Korngröße.
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Die Ausbildung der kritischen Kornstruktur wird durch die Wärmebehandlung-des
Drahts nach seiner Herstellung unter Anpassung an die Herstellungsgeschichte des
Drahts gelenkt. In der Lampenindustrie ist es üblich, Glühfäden auf Dornen aus anderen
Metallen, wie Eisen oder Molybdän, zu wickeln, die anschließend auf chemischem Wege
aus der Wendel herausgelöst werden. Nach dem Wickeln werden die Wendeln wärmebehandelt
oder gesintert, während sie sich noch auf dem Dorn befinden, um die Arbeitsspannungen
im Glühfaden zu beseitigen. Nach dem Sintern der Wendel und der Entfernung des Dorns
werden die Wendeln in den Lampen montiert, die anschließend evakuiert und bei gewissen
Lampentypen mit Gasgemischen gefüllt werden, die sich auf die Glühfäden bei erhöhten
Temperaturen nicht nachteilig auswirken. Die Lampe läßt man dann bei verschiedenen
Spannungen aufblitzen, um die Kristallstruktur, die dem Faden höhere mechanische
Festigkeit verleiht, auszubilden und zu fixieren.
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Die Behandlungen, die bei der Herstellung des Glühfadens fÜr eine
bestimmte handelsübliche Lampe gemäß der Erfindung angewendet werden, werden nachstehend
als Beispiel
beschrieben. Zwar werden bei dem beschriebenen Verfahren
keine Glühfäden erhalten, die die"für die Erfindung erforderliche Kornstruktur aufweisen,
jedoch ist-es für den Fachmann offensichtlich, daß viele andere Kombinationen von
mechanischen und thermischen Behandlungen von Glühfäden dieses Typs und anderer
Typen zu gleichwertigen Strukturen und Vorteilen führen.
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Die Glühfäden des Typs "3D218" werden in der gleichen Weise gewickelt
wie andere Glühfäden von Glühlampen mit einer Wendel. Im Falle von Glühfäden für
die S14-SignallawPe. von.11 W und 120 V wird der Draht "3D218" kontinuierlich mit
390 Windungen/cm auf einen Molbybdändorn von 71/u gewickelt'. Der'Fadendurchmesser
beträgt etwa 18/u. Nach dem Wickeln der Wendel wird'der Fadenstrang auf seinem Dorn
durch einen röhrenförmIgen elektrischen Glühofen geführt. Diese Behandlung hat den
Zweck, den Faden auf dem Dorn festzulegen, um zu verhindern, daß er dch während
des anschließenden Schneidens zerfasert.' Die feucht Wasserstoffatmosphäre qm Ofen
reinigt ferner den Draht, während, er mit einer Qeschwindigkelt von 6,85
m/Min. du'rchlguft. Die Ofentemperatur beträgt 15000C bei einer Heißzone von 51,em
Länge.
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Die Wendeln auf dem endlosen Dorn werden anschließend In Abschnitte-von
45,7 mm Länge geschnitten. Nach dem Schneiden werden die Wendeln auf dem Dorn bereits
dort zwei weiteren Wärmebehandlungen In einem elektrischen Glühlofen In Röhrenform
unterworfen. Hierbei handelt es sich wti ein stätLonäres Verfakiren, beL
dem tILf,-tenen Wendeln In Schalen orlor Wol.I'i-flnl Gretegt,und In den Ofen geschohen
Dio er-,te, handlung erfolgt In einern bei ILJOOC ir ,ehal t( _#tien Ofen ii]Lt
ehier feuchten Wasserstoffatmüsphäre. Die zweite Behandlung
erfolgt
in einem bei 15000C gehaltenen Ofen mit einer CD
trockenen WasserstoffatJmosphäre.
In jedem Fall bleiben die Wendeln 10 Minuten im Ofen.
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Aus den Wendeln wird anschließend der Molybdändorn in der hierbei
üblichen Weise herausgelöst. Hierzu werden die Spulen in ein Säurebad geschüttet,
das aus Schwefelsäure und Salpetersäure zu gleichen Teilen besteht. Nach der Auflösung
dös Dorns werden die Wendeln mehrmals mit entionisiertem Wasser gewaschen und dann
zweimal mit Methanol gespült.
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Die Wendeln werden anschließend auf Haltestäben montiert, in die Glashüllen
eingeschmolzen, worauf die Lampen nach üblichen Verfahren evakuiert werden. Anschließend
wird der Sockel an der Glashülle befestigt, worauf die äußeren Zuleitungen mit der
Hülse des Sockels und dem Kontaktplättchen verbunden werden.
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Nachdem dies geschehen ist, läßt man die Lanipen ".-tufblitzeri",
um di e endgültige Senkung des Drucks in de#r zu bewirken iind die Ausbildung der
KristaLlstrulzUiii, des Drahts zu vollenden. Dies geschieht durch AufleuchtenLassen
der Lampen gewöhnlich beL sechs Spannungen. Die er.sten fünf
Aufleuchtstellungen
sind In Reihe mit einetri Ballastwiderstand verbunden, tuii Lichtbögen in der Lampe
vor der Erniedrigung des Drucks zu verhindern. Die 6. Stellung hat keinen
Ballastwiderstand und wird nach einer kurzen Abkühlzelt nach der Stu#LL1,119 Nr.
5 eingeschalti.,t.
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Flii, dio I)llk-Lampe von Ll W und 120 V vn,ir(leil Aiil'leiicht-und
e;I)amilirli#"lE',n voll 130 V, 150 V, 1-'-() V,
175 V, 175 V 1130 V fÜr dLe #l)LE)lliiiigeri angelegt, die in dieser
Rolhenfollre jeweLls ketwa 2 Sektinden angewendet wurden. D[te durch feine gleichartige
Körner
gekennzeichnet, die mit einigen länglichen Körnern gemischt, sind und in nietastabilem
Zustand zum Wachstum von länglichen Körnern während der Lebensdauer der Lampe führen.
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Um die verlängerte Lebensdauer,und die erhöhte Zuverlässigkeit zu
veranschaulichen, die durch die Anwendung der Erfindung erzielt werden, sind in
der folgenden Tabelle die Ergebnisse von im Laboratorium durchgeführten Rüttelversuchen
an erfindungsgemäßen Lampen aufgeführt. Gleichzeitig sind die, Ergebnisse von Versuchen
mit im übrigen gleichen Lampen aufgeführt, die Glühfäden aus dem Draht 1l2181131
1181111f
p "N.F." und "_3D218'1 enthalten. Für jeden Versuche zeigt
die Tabelle einen Vergleich zwischen Lampen des gleichen Typs und der gleichen Konstruktion,
in
| der nur das Metall des Glühf adens verändert wur#l&aj#lf
sind |
| Erprobung wurde auf Vibrationsmaschineh, die als "Vibraes"
/.. |
mit gleichzeitig betriebenen und zu vergleichenden Lampen vorgenommen. Aus den Werten
der Tabelle ist ersichtlich, daß diedurchschnittliche und maximale Stundenzahl der
Lebensdauer auf der Maschine bei erfindungsgemäßen Lampen viel höher ist als bei
bisher bekannten Lampen. Die Mindestlebensdauer wird in jedem Fall durch Anwendung
der Erfindung starker verbessert, ein Zeichen für die höhere Zu -verlässigkeit von
erfindungsgemäßen Lampfen. Es ist somit ersie4t1ich, daß die erfindungsgemäßen Legierungen
erhebliche Verbesserungen sowch.1 in Bezug auf frühen Ausfall-, der Lampen und Lebensdauer
darstellen. Erprobungen in der Praxis bestätigten diese Schlußfolgerungen durch
stark verbesserte Lebensdauer und Zuverlässigkeit bei erschwerenden Anwendungen,
bei denen Lampen mit den bisher verwendeten Glühfadentypen viel schneller durchbrannten
als die erfindungsgemäßen Lampen.
| - Lebensdauer (Stunden) |
| Test Fadent22,- Durchschnitt Minimum- Maximum |
| A 218 533 11 857 |
| 3D218 2373 833 2996 |
| B 218 4o8 .54 905 |
| 3D218 2277 870 5152 |
| C 218 788 515 1115 |
| 3D218 1730 742 3302 |
| D 8111 16o8 371 2862 |
| 3D218 4619+ 4619+ 4619+ |
| E 8111 624 213 1403 |
| 3D218 2892+ 1977 3821+ |
| F N.F. 36o 124 1422 |
| _3D218 1670 839 2886 |
| G N.F. 58o 418 81o |
| 3D218 lo4o 602 162f5 |
Das Zeichen tl+" zeigt an., daß einige Lampen bei Versuchsende noch nicht ausgefallen
waren. Die Versuche wurden
| abgebroe nj nachdem ausreichende Erkenntdsse gesammelt |
| äie |
| waren und Einrichtungen für weitere Versuche gebraucht |
| wurden. |