DE1807439A1 - Gluehlampe mit verbesserter Lichtausbeute - Google Patents

Description

Glühlampe mit verbesserter Lichtausbeute

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fortentwicklung der in der deutschen Patentanmeldunc-, G 51 028 VIIIc/21f beschriebenen Erfindung. Sie bezieht sich dabei auf verbesserte Glühlampen und insbesondere auf solche Lampen, deren V.'irkungsgrad durch Zusatz von verdampfbaren Substanzen, die ohne elektrische Entladung lediglich durch das Glühen· eines Wolfram- oder anderen Glühfadenmaterials zur Wärmestrahlung angeregt werden, verbessert ist, derart, daß die charakteristische Strahlung der verdampfbaren Substanz mit geeigneter Abänderung der charakteristischen Strahlung des Glühfadens überlagert wird.

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halten.

Eine der wirksamsten, heute in der Praxis eingeführten Glühlampen, die sich wirtschaftlich herstellen lassen, ist die unter dem'Warenzeichen "Quartzline Lamp" bekannte und z.B. in der amerikanischen Patentschrift 2 883 571 vom 21. April 1959 und der DAS 1 216 BJh beschriebene!Lampe. Mit der in dieser Patentschrift beschriebenen und später verbesserten Lampe lassen sich lang andauernde Wirkungsgrade bis zu etwa 20 Lumen pro Watt bei einer Lebensdauer der Lampe von mehreren tausend Stunden erreichen. In speziellen Fällen, wenn nutzbare Lebensdauern von nur 10 bis 15 Stunden erwartet werden, kann man sogar Wirkungsgrade von 35 Lumen pro Watt er-

In Übereinstimmung mit den in der vorerwähnten U.S. Patentschrift angegebenen wünschenswerten Eigenschaften und Vorteilen dieses Lampentyps ergibt sich ein allgemein hoher Wirkungsgrad infolge eines geringen Abstandes des Glühfadens von der Lampenwandung und der dadurch bedingten leichteren Erwärmung derselben,, durch die größere Masse des aus einer dicht gewundenen Spirale bestehenden Glühfadens, die längs der zentralen Achse des engen Quarzrohres angeordnet ist, sowie durcu die gleichmäßig hohe Betriebstemperatur des Glühfadens und die Anwendung des Jodidregenerationszyklus, der zum Teil von der Wärme der Gefäßwandung abhängt, um Schwärzung des Lampenkolbens und Verschleiß des Glühfadens zu vermeiden.

Obwohl man den Wirkungsgrad von Glühlampen auf den bei solchen Lampen vernünftigerweise zu erwartenden Maximalwert heraufsetzen konnte, ist es wünschenswert, die Wirkungsgrade noch weiter zu verbessern.

Kurz gesagt, gemäß der vorliegenden Erfindung erhält man verbesserte Glühlampen durch eine solche Anordnung und Gestalt, daß die Raumtemperatur innerhalb des Kolbens ausreicht, um die Verdampfung von gewissen Arten von ßlühlampenzusätzen und deren Erregung zu Licht aussendenden Energien zu bewirken. Solche Zusätze können ein verdampfbares Metailhalogsnid sein,

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welches nicht vollständig dissoziiert, welches jedoch im Dampfzustand, der in der Nachbarschaft des Olühdrahtes im wesentlichen im molekularen Zustand vorliegt, angeregt wird und die Spektren des erregten Moleküls, und zwar entweder des zugesetzten Halogenide, eines Subhalogenids oder einer Kombination dieser beiden.aussendet.

Gemilß der vorliegenden Erfindunc braucht kein Quecksilber zugesetzt zu werden, dasselbe wird nur vorzugsweise benutzt. In den in der S taramanme Idling beschriebenen Lampen wird die Lichtemission de3 Glühdrahtes durch die charakteristischen Atomspektren des Metalls dee eingeschlossenen Halogenide vergrößert, die in geeigneter Weise durch das unter überdruck vorliegende Quecksilber modifiziert sind, um so die Energieausstrahlung von dem verdampfbaren Halogenid und seinen Bestandteilen auf einen optimalen V'ort zu brinf.en. Cleiu.'lß der vorliegenden Erfindung wird die Strahlung dea Glühdrahtes durch die Dandenspektren der erregten Molekülarten vergrößert.

Unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung wird die Erfindung in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung näher erläutert.

In dieser Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen vertikalen Querschnitt einer schematischen Darstellung einer erfindungsgemäß aufgebauten Lampe,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Strahlungsintensität als Funktion der Wellenlänge bei einer nach der Stammanmeldung konstruierten Lampe, wobei zum Teil die Verbesserung der Lichtausstrahlung wiedergegeben wird und

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der Strahlungsintensität als Funktion der Wellenlänge einer nach der vor*

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liegenden Erfindung konstruierten Lair.pe, wobei die damit erzielte Verbesserung der Lichtausstrahlung wiedergegeben wird.

Gem/iß Fi(J · 1 umfaßt eine hochwirk3ane aitihdampflampe einen lichtdurchlässigen evakuierten Kolben oder eine Umhüllung 1, in der ein Glühfaden 2 angeordnet iot, der eine dicht ge-. ickelte Spirale bildet und in einem Paar langgestreckter Stunwnel 3 endet, die jeweils an einem dünnen bandartigen Leiter ¹J angeschmolzen sind, der in einem Quetsch teil ¹J hermetisch eingeschlossen ist, rodurch ein geschlossener, hermetisch abgedichteter Kolben gebildet wird. Der Kolben wird " durch den Stutzen 7 gefüllt und/oder evakuiert. Der Glühfaden wird innerhalb des Kolbens 1 durch eine Vielzahl von gewundenen Fcdertrücern 9 Getragen, die unter Foder3pannung zwischen der Glühwendel 2 und der Innenwand der zylindrischen Umhüllung angeordnet sind.

Die zylindrische Umhüllung 1 kann zwcckm/LOijerweise aus einem lichtdurchlässigen, hoehtemperaturbcständigen Material, beispielsweise geschmolzenem Siliziumdioxyd» Quarz oder sehr dichtem Aluminiumoxyd, wie es in dem U.S. Patent 3 026 210 offenbart ist oder anderen ähnlichen lichtdurchlässigen Polykristallinen schwer schmelzbaren Oxyden bestehen. Die Wendel 2 besteht aus dem üblichen Glühwendel-Haterial, beispielsweise einem in geeigneter Weise dotierten, z.B. thoriertern Wolfram-Draht, der beispielsweise einen Durchmesser von 0,076 bis 0,203 mm (0,003 bis 0,008 inch) aufweist,und der zu einer dicht gewickelten Spirale aufgerollt ist, was beispielsweise dadurch geschehen kann, daß der Draht um einen 0,762 mm (0,030 inch) dicken Dorn aus niohteisenhaltigem iMaterial gewikelt wird. Bei einer besonders ausgebildeten Lampe, die für einen Betrieb bei 500 Watt konstruiert ist, besteht ein typischer Glühfaden aus ungefähr 100 Windungen pro 2,5 cm (1 inch) und kann ein Gewicht von ungefähr 50 bis 100 mg pro 100 mm Länge aufweisen. In solchen

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Lampen betrügt die Gesamte L;lnce der Spirale un,:ef.^(<.hr 60 bio 80 mm, wUhrend die Gesamte L/ln~e der Umhüllung 1 etwa 115 mm ausmacht und diese aus Geschmolzenem Quarz mit einem Außendurchmesser von 10 mm und einem Innendurchmesser von 8 mia aufgebaut ist. Daa von dem spiraligen Glühfaden eingenommene Volumen ist beachtlich, d.h. es lier.t in der Größenordnung von 10 bis 5Oi dos Volumens im Lampeninnern.

Die Zuführuncsdr/lhte 10 aind aus Molybdän hergestellt und sind bei *t zu einer im wesentlichen foliennrtinen Dicko von ungefähr 0,025 mm (0,001 inch) abgeplattet, um eine npannuncsfreie Abdichtung durch den Quetechfuß 5 und so eine hermetische Abdichtung zu erzielen.

Die Wolframstummcl 3 sind durch Punktschweißen mit den Folienteil ¹I der MolybdHnleiter 10 verbunden. Obgleich die vorstehenden Abmessungen und Parameter in RcZU₁; auf eine typische 500 Watt-Glühlampe hohen Wirkungsgrades anreiben 3ind, wie sie in der oben Genannten U.S.-Patentschrift r.ezeict und heute allgemein bekannt ist, können t-eeicnete Änderungen bei Lampen für andere Leistungsaufnahmen und andere Orütfen von Lampenfachleuten leicht durchceführt werden.

Eine Füllung 11 aus mehreren verdanpfbaren Substanzen ist innerhalb des Lampen^efäßes enthalten. Der Zweck der Füllung 11 im Inneren der Lampe besteht darin, eine verdampfbare Substanz oder Substanzen,die durch den erhitzten Glühfaden verdampft werden und entweder im verdampften Zustand oder in einem dissoziierten Zustand in einen solchen Anresunr.nzuctand gebracht werden, daß sie bei der Rückkehr in den nicht ancereßten Zustand Strahlunr.oenercie im sichtbaren Spektrum aussenden, welches die Strahlung des Glühwendeis vergrößert und die Strahlungsabfiabe und die Wirksamkeit der Lampe erhöht.

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Wie bereits in der Stammanmeldunr, beschrieben, enthält die Füllung 11 eine ausreichende Menge Quecksilber, so daß unter Betriebsbedingungen, wenn das gesamte Quecksilber verdampft ictj ein Quecksilberdampfdruck von ungefähr 1 bis 20 Atm. erhalten wird. In dieser Aus führung form enthält die Füllung außerdem eine Menge eines verdampf baren Ilalogenids, mit Ausnahme des Fluorids, eines Metalls, welches eine charakteristische Resonanz- oder Nahe-Resonanzstrahlunn innerhalb des gewünschten Spektralbereiches hat, vorzugsweise innerhalb des sichtbaren Spektrums oder mit einer Mehrzahl von lichtstarken Strahlung linien innerhalb desselben Dereiches. Derartige Metalle umfassen die Alkalimetalle, natrium, Kalium und Rubidium, die seltenen Erdmetalle der Gruppe III des Periodensystems, wie Scandium und Yttrium, die Metalle der Gruppe III b des Periodensystems, wie Gallium, Indium, Thallium und die Lanthanitserien der seltenen Erdmetalle, aber vorzugsweise Cer, Erbium, Gadolinium, Holmium, lleodym, Prasiodym und Ytterbium. Von den vorgenannten Materialien v/erden für Anwendungen, bei denen die primäre Strahlung im sichtbaren Spektrum liegen soll, vorzugsweise Lithium, Natrium, Thallium, Yttrium, Scandium, Gadolinium und Prasiodym verv/endet. Obwohl die Jodide dieser Materialien besonders einfach erhältlich und unter den verwendeten Halogeniden besonders leicht verdampfbar sind, ist wegen gewisser anderer Eigenschaften den Bromiden und Chloriden gegenüber den Jodiden unter gewissen Umständen der Vorzug zu geben. Bei den Lampen handelt es sich um solche, die mit einer hohen Temperatur in dem Teil arbeiten, der von dem dem Kolben zugesetzten verdampfbaren Material eingenommen wird. Die hohe Temperatur erhält man durch den Glühfaden, dessen gleichförmige Betriebstemperatur bei 2500° K bis 3300° K liegt· Aus diesem Grunde muß die unterste Temperatur auf der Innenseite der Kolbenwand gleich oder höher als die Temperatur sein, bei der sich die verdampfbare Verbindung im Gleichgewichtszustand zwischen der Dampfphase und ihrer festen oder flüssigen Phase befinden kann, je nach dem, welches die normale Phase ist. Geeignete Temperaturen liegen vor, wenn die minimale Kolbenwandtemperatur im Bereich von etwa 400⁰C bis 1200⁰C liegt.Aus

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-diesen Grunde ist es für einen niedrigen Betriebndruck wünschenswert, daß die gesamte O.ueck silbermenge in dem Kolben verdampft wird. Diea ist leicht zu erreichen, da die Verdampf ungstemperatur des Quecksilbers nicht hoch ist. Es ist lediglich erforderlich, daß die der Kolbenwand zugeführte Quecksilbermenge verhältnismäßig gering ist, im Gegensatz zu den großen Mengen, die man bei Anordnungen nit einer Quecksilberoumpfclektrode findet,und daß die Quecksilberinenr.e bei vollkommener Verdampfung einen Druck innerhalb der» Kolbens von etwa 1 bis 20 Atm. ergibt. Vorzugsweise sollte der .iueckeilberdruck jedoch innerhalb der. P.ereiches von 3 bis 10 Atn. liefen. Ein Quecksilberdruck von wenigstens 3 Atm. gewehrleistet die notwendige Linienverbreiterung. Andererseits verringert eine Begrenzung des Quecksilberdruckes auf 10 Atm. oder weniger die Selbstabßorption der Strahlung und netzt außerdem die löslichkeit einer Explosion dca Kolbens herab. Mit einen Kolben, wie er in Fig. 1 beschrieben iut, erhält nan in bequeuer V/eise einen Qucck3Überdruck von etwa 3 Atm. durch Zugabe von ungefähr 25 mg Quecksilber in das Kolbengehiiur.e. In ähnlicher Weise kann ein Druck von 10 Atm. dadurch erhalten v;erden, daß man 8ü mc Quecksilber zusetzt, und ein Druck von 20 Atm. Ι.ε,ηη durch Zuf-abo von etwa lfiO rag Quecksilber erzielt werden.

Das gesamte verdampfbare Halocenid deo lichtaussendenden !^aterialzusatzes gemilß der Erfindunn braucht nicht zu verdampfen. Es ist deshalb bequem und praktisch, einen Überschuß dieser Materialien vorzusehen, um sicherzustellen, daß stets eine Genügende Menge dea Materials innerhalb der Lar.ipe vorhanden ist, um einen optimalen Betrag von Licht ausstrahlenden Dampf v/iihrend der gesamten Lebensdauer der Lampe zu cewührleisten. Vorteilhaft sollte der Druck jedes metallischen Ilaloccnid3 innerhalb des Kolbens in den Bereich von etwa 0,1 bis 500 Torr Partialdruck liegen. Falls mehr al3 eine netalli3Che vordampfbare, lichauasendende Substanz zugefügt ist, dann sollte die Menge jeder einzelnen ao sein, daß sie unter Betriebsbedingungen ei nen unabhängigen Teildruck innerhalb dieses Bereiches im KoI-

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ben aufweist.

Obwohl Lampen _t;omüß der vorliegenden Erfindung gebaut werden können, bei denen Hencen von vordampfbaren metallischen Halogeniden innerhalb des vorgenannten Bereiches benutat worden können, wird das Material vorzugsweise in solcher Menr.e verwendet, daß unter Betriebsbedingungen ein Quecksilberteildruck des verdampfbaren Halogenide von etwa 0,5 bis 100 Torr vorhanden ist. Der Zusatz größerer 'lencon macht es möglich, ein Reservoir dieser Materialien aufrecht zu erhalten, so daß im Falle einer Abnahme (clean up) von Material infolge der Abocheidunc auf der KoIbcm/and oder durch Zersetzung oder ^ durch Rekombination oder durch beliebige andere Vorgänge stets ein optimaler Betrag des Teildruckeα der lichtaussendenden Dämpfe innerhalb de3 Kolbens vorhanden ist.

3ei den in Fin· 1 beschriebenen Lampen mit dem angegebenen Volumen hat sich z.3. gezeigt, daß brauchbare und verbesserte Glühlampen unter Verwendung jeweils von .'latriumjodid, Lithiumiodid und Thalliumjodid dadurch hercestellt werden können, daß man 1 bi3 10 mg de3 Jodids, vorzugsweise etwa 5 mg des Jodids, zusetzt. Uenn Kombinationen von 2 oder mehreren Jodiden benutzt werden, wird eine unabhängige Menge jedes der vorstehenden zugesetzt.

) Im Betrieb verhalten sich die Lampen nach Fic« l,wie bereits in der Stamraanmeldung offenbart, im wesentlichen wie folgt:

Bein Anschluß an eine geeignete elektrische Stromquelle wird die Olühspirale 2 zum Glühen erhitzt und damit schnell die Temperatur derselben auf einen Wert von mehr al3 ungefähr 3300° K Gesteigert. Zunächst wird da3 Quecksilber vollständig verdampft und erzeugt dabei einen hohen Quecksilberdruck von uncefihr 1 bis 20, vorzucsweise unceführ 3 biß 10 Atm. im Innern des Lampenkolben. Wenn die Temperatur des kältesten Teiles der Kolbenwand auf eine Temperatur ansteigt, bei der wesentliche Verdampfung des metallischen Halogenide auftritt,

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wird da3 Halogenid verdampft und umgibt den glühenden Faden mit einer Hülle von verdampftem Halogenid, welches in der den Faden umgebenden Temperaturzone in seine Destandteile, nämlich das Metall und die Halogendämpfe dissoziiert. Da die Metallatome allein durch die hohe Temperatur in der den Faden umgebenden Umhüllungszone und innerhalb der eehr nah angeordneten Kolbenwandung thermisch erregt werden, werden die Metallatome auf eine spektroskopische Energiestufe gebracht, bei der ein Strahlungsübergang möglich ist und bei der das charakteristische Linienspektrum des Metalls ausgesandt wird. Allgemein ist die Primärstrahlung von thermisch erregten speziellen Metallen innerhalb des Kolbens die Resonanzstrahlungalinie, also allgemein der niedrigste erlaubte Strahlungsübergang für das Metall. Dieser übergang führt entweder zu dem Qrundzu3tand oder zu einem Zustand, der sehr nahe bei dem Grundzustand des Atoms liegt. Typische Wellenlängen für diese Resonanzstrahlungslinien sind wie folgt:

TABELLE I Li 6707 R-Einheiten

Na 5890 & 5896 «-Einheiten

K 766*1 & 7698 «-Einheiten

Rb 79*»8 & 786O Ä-Einheiten

Tl 5350 Ä-Einheiten

Ga I032 & Ί172 S-Einheiten In Ί101 & H5II Ä-Einheiten

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Die Elemente Scandium, Yttrium und die Lantaniden-Serien der seltenen Erdmetalle, die bereits vorstehend genannt wurden, ergeben nicht nur eine Resonanzlinie oder eine Resonanzdoppellinie, wie es beispielsweise bei Kalium, Rubidium, Gallium und Indium der Fall ist, sondern sie senden viele Linien aus, die sich im wesentlichen auf den gesamten Bereich des sichtbaren Spektrums erstrecken.

Zwei wesentliche Eigenschaften, die für das Arbeiten der verbesserten Glühlampen wesentlich sind, ergeben sich aus der Tatsache, dass die Ionisation der verdampfbaren lichtausstrahlctnden Halogenide und die Temperaturen derselben für die ' Entstehung eines Lichtbogens oder einer Glimmentladung unter Einbeziehung der Metalldämpfe unzureichend sind, so dass also keine elektrische Entladung innerhalb der Lampe stattfindet, sondern lediglich thermische Ionisierung und thermisch angeregte Strahlung von den verdampften Substanzen auftritt.

Weiterhin ist die erzielte Verbesserung nicht nur ein Resultat des Zusatzes von Spektrallinien emittierenden Materialien, sondern auch die Anwesenheit von Quecksilber in den offenbarten Mengen, steigert die auf Grund dieser Materialien verursachte Lichtaussendung erheblich.

) Die verbesserte Strahlung bei Lampen nach der Stammanmeldung ist nicht allein auf den Zusatz der Linienspektren der Strahlungssubstanz zurückzuführen, die sich der kontinuierlichen Strahlung des Glühfadens überlagert. Wenn letzteres der Fall wäre, würde infolge der geringen Breite der Strahlungslinien der verwendeten metallischen Substanzen (allgemein weniger als 1/10 Ä-Einheit) die Zunahme in der Lichtabga be und der Wirkungsgrad verschwindend klein sein. Eine wesentliche Eigenschaft der eingangs genannten älteren Erfindung ist die Notwendigkeit eines hohen Quecksilberdruckes innerhalb des Kolbenvoluraens. Dieser

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Quecksilberdruck bewirkt, dass die Strahlung der erregten Substanzen einem als Linienverbreiterung (line broadening) bekannten Phänomen unterworfen wird, das die Breite der Ausstrahlung von Resonanzstrahlung oder Faot-Resonanzstrahlung (oder der Mehrheit der Linien der seltenen Erdmetalle) der metallischen Substanz von einer Breite in der Grössenordnung von weniger als 1/10 8-Einheit auf eine Breite von 10 bis 100 R-Einheiten oder mehr erhöht. Dieses Phänomen der Linienverbreiterung, das als Folge von Atomzusammenstössen mit dem Quecksilberdampf von hohem Druck innerhalb der Lampe auftritt, erhöht weiterhin die infolge der Darapfstrahlung erhöhte Lichtabgabe der Lampe um einen Faktor von wenigstens 5000 gegenüber derjenigen, die ohne den Zusatz des unter hohem Druck vorliegenden Quecksilbers arbeitet, und welches die Linienverbreiterung und die erwartete Erhöhung in der Stärke der Dampfstrahlung bewirkt. Da der Einfluss jedes Zusatzes von seinem Partialdruck abhängt und da jeder im wesentlichen von dem anderenⁿäbhängig ist, kann jede gewünschte Kombination von metallischen verdampfbaren lichtaussendenden Halogeniden gewählt werden, um den Wirkungsgrad weiter zu erhöhen und die Lichtaussendung sozusagen massZuschneidern.

Fig. 2 veranschaulicht ein Beispiel dafür, in welcher Weise der Wirkungsgrad von gemäss der älteren Anmeldung hergestellten Lampen durch die Verwendung eines geeigneten verdampfbaren dissoziierbaren lichtaussendenden Metallhalogenide verbessert werden kann. Die Kurve A der Fig. 2, die in willkürlichen Einheiten die Intensität der Lichtabgabe als Funktion der in R-Einheiten angegebenen Wellenlängen darstellt, ist die unkorrigierte, mit dem speziell verwendeten Spektrometer erhaltene Darstellung der normalen Glühemission der in Fig. dargestellten Lampe, bei der nur die GlUhstrahlung ausgenutzt wurde. Die Kurve B der Fig. 2 zeigt ebenfalls unkorrigiert

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für das verwendete Spektrometer die gesamte Lichtabgabe derselben Lampe nach Fig. 1, der jedoch 10 mg Lithiumjodid und HO mg Quecksilber zugesetzt worden waren.

Bei Fig. 2 ist die zugeführte Energie, die in brauchbare Lichtstrahlung umgesetzt wird, die Fläche unterhalb der Kurve. Diese kann quantitativ durch Flächenintegration erhalten werden. Für die Errechnung der Abgabe der normalen Glühlampe ergibt die Integration der unter der Kurve A liegenden Fläche ein Mass. um ein Mass für den Betrag der Strahlung der in dem speziellen Beispiel der Kurve B wiedergegebenen Lampe zu erhalten, in der Lithiumjodid zugesetzt war, wird eine Integration der Fläche unterhalb der Kurve B vorgenommen. Wie man leicht aus Fig. 2 ersieht, ist die Fläche unter der Kurve B gegenüber der Fläche unter der Kurve A wesentlich vergrössert, und zwar

infolge der Kinzufügung der verbreiterten Linienspitzen, die etwa zwischen 665O und 69OO 8-Einheiten auftreten und nur durch eine enge, durch Selbstabsor^ion verursachte Einkerbung bei etwa 67IO 8-Einheiten herabgesetzt ist. Andere verbreiterte Linien für andere spezifische verdampfbare Metallhalogenide, wie sie vorstehend beschrieben sind, zeigen ähnliche und oft zusätzliche Verbesserungen der spektralen Emission. Die Vereinigung mehrerer solcher "peaks", vorzugsweise bei ver-Bchiedenen Wellenlängenbereichen erhöht die Lichtabgabe beträchtlich.

Die Wirkung, die in der Praxis durch die Kombination des verdampfbaren Metallhalogenide mit Glühlampen geeigneter Geometrie für ausreichende Heizung und Erregung des Metalls des zugesetzten Halogenide zu erreichen ist, erhöht die Wirkungsgrade solcher Lampen bis zu 40 Lumen pro Watt bei einer brauchbaren Lebensdauer von über 2000 Stunden.

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Qemäss der vorliegenden Erfindung besteht die verdampfbare Substanz, die in den Lampenkolben gegeben wird, aus einem Halogenid (ausser dem Fluorid), einem mehrwertigen Metall, welches b ei der Lampenwandtemperatur verdampft und bei der Glühfadentemperatur teilweise dissoziiert, jedoch bei der Betriebstemperatur des Glühfadens nicht vollständig dissoziiert und welches in der Glühfadenhülle im wesentlichen im molekularen Zustand vorliegt und durch die thermische Energie desselben angeregt wird, um die Strahlung de3 molekularen Spektrums auszusenden, die zu der Wirksamkeit der Glühstrahlung beiträgt und dieselbe vergrössert. Gemäss dieser Ausführungsform kann das verdampfbare Halogenid beispielsweise ein Halogenid eines Metalls wie Zinn, Zink, Cadmium, Quecksilber, Germanium, Blei, Arsen und Antimon sein, welches bei der Hüllentemperatur nicht vollständig dissoziiert und welches dabei angeregt wird, um molekulare Strahlung auszusenden. Vorzugsweise wird SNBR₂, SNJ₂, SNCL₂, SBJ, benutzt, da die damit erzielte Steigerung im sichtbaren Sprektrum optimal ist.

Gemäss der vorliegenden Erfindung sind die Betriebsparameter der Lampe im wesentlichen die gleichen wie in der Stammanmeldung, jedoch mit gewissen wesentlichen Unterschieden. Anfänglich kann der gleiche Lampenaufbau benutzt werden und der gleiche dichte Abstand von Glühfaden und Kolbenwand ist zweckmässig. Das ganze Innere des Kolbens ist daher auf einer solchen Temperatur, dass eine Anhebung des verdampften Metallhalogenide auf einen ausreichend hohen Energiezustand stattfindet, und die molekulare Strahlung durch StrahlungsUbergang des Moleküls Von höheren zu niedrigeren Energiezuständen auegesandt wird.

Die Kolbenwandtemperatur gemäss dieser Ausführungsforra sollte gemäss dieser älteren Anmeldung einen Minimalwert von 4OO°C bis 1200 C aufweisen, um vollständige Verdampfung des Queck silbers (falls vorhanden) und eine ausreichende Verdampfung

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-lU-des Metallhalogenide zu gewährleisten. Die Erregungstemperatur, 4ie Temperatur des Glühfadens« der die Erreeunc der verdampften Dämpfe bewirkt, sollte im Bereich zwischen 250O⁰K und 33OO°K liegen. Die" Menge des verdampf baren Metallhalogenide* die zur Erzeugung der Molekular3trahlung gemäss der vorliegenden Erfindung benutzt wird, kannzweckrnässig der Menge entsprechen, die ausreicht, um einen Fartialdruck von ungefähr 0,1 bis 500 Torr eines jeden der anwesenden verdampfbaren Halogenide zu ergeben und vorzugsweise sollte sie ausreichend sein, um einen Partialdruck von ungefähr 10 bis 200 Torr eines jeden Metallhalogenide zu ergeben. In gleicher Weise wie in der Stamraaiimeldung kann das Halogenid im Überschuss zugegeben Werden, so dass bei der Betriebstemperatur der Lampe nicht das gesamte Halogenid verdampft wird, so dass die Ausspaltung des Halogenide von der Lampe durch Abscheidung der metallischen Komponente durch Einschliessen oder andere Phänomene, von denen bekannt ist, dass sie eine Abreicherung im Inneren der Lampe bewirken, verhindert wird. Eine gemäss dieser nuaführungsform hergestellte Lampe hatte ein Volumen von 2,5 cnr und wurde mit einer Kolbenwandtemperatur von ungefähr 600°C betrieben. Sie enthielt 26 mg SNBRp und ungefähr 11 mg Quecksilber. Diese Lampe arbeitete bei einem Quecksilberdruck von ungefähr 2 Atm.

Die Anwesenheit von Quecksilber in dem Kolben der Glühlampe ist für den Betrieb der Lampen gemäss der vorliegenden Erfindung nicht wesentlich. Dies rührt gleicherweise wie bei der vorstehend besprochenen Stammanmeldung daher, dass die durch thermischen Einfluss des Fadens auf die verdampfbare Substanz erzeugte Strahlung das Atomspektrum des Metalls des Metallhalogenide darstellt. Wie bei der Stammanmeldung hat das Metallhalogenid eine Dissoziationstemperatur, die niedriger ist als die Temperatur des Fadens, so dass in der Nähe des Fadens das

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gesamte verdampfte Metallhalogenid dissoziiert ist, wodurch das Metallatora auf einen so hohen Energiezustand angehoben wird, dass es Resonanzstrahlung aussendet. Die Resonanzstrahlunc stellte eine relativ schmale Linie (oder Linien) dar, die aus sich selbst heraus nicht die Leuchtwirkung der Lampe vergrössern. Dies wird durch die Linienemission in Verbindung mit dem Quecksilberdruck erreicht, die zu Kollisionen und zu einer Linienverbreiterung der Atoraepektren führt.

Das verdampfte Metallhalogenid ist jedoch nicht dissoziiert, da seine Dissoziationsenergie ausreichend hoch ist, so dass bestenfalls nur eine teilweise Dissoziation stattfindet. Selbst im Falle der teilweisen Dissoziation dissoziieren die Halogenide geraäss der vorliegenden Erfindung nicht vollständig, sondern existieren in Form eines Subhalogenids, welches ebenfalls zur Aussendung von Molekularstrahlung angeregt wird. Unter den Betriebsbedingungen existieren die Metallhalogeniden der vorliegenden Erfindung im wesentlichen in der Fadenumhüllungszone im molekularen Zustand. Wie dem Fachmann allgemein bekannt, liegen Molekülspektren nicht als Linien mit geringer Breite vor, sondern bilden breite Banden.

In Fig. 3 der Zeichnung ist die in einem Teil des sichtbaren Spektrums durch Zusatz von Zinnbromid erzielte Vergrösserung bei einer Lampe wiedergegeben, wie sie in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt ist, und sie ist vorglichen mit der Strahlung des schwarzen Körpers eines Glühfadens ohne Zusatz. In Fig. 3 gibt die Kurve A in willkürlichen Einheiten als Funktion der Wellenlänge den Betrag, der durch einen Glühfaden allein ausgesandten Strahlung in einer Lampe, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, wieder. Die Kurve der Fig. 3 zeigt die vereinigte Gluhstrahlung und die molekulare Spektralstrahlung in Anwesenheit von 200 Torr Zinnbromid in der Lichtquelle.

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Wie aus den Kurven derFig. 3 der Zeichnung hervorgeht, steigert der Zusatz des verdampfbaren Molekularspektren emittierenden Motallhalogenids gemäss der vorliegenden Erfindung nicht nur die Strahlungsabgabe einer Glüiilarape, sondern diese Strahlung erscheint auch als ein breites Strahlungsband mit einer Bandbreite von Hunderten von 8-Einheiten, so dass es nicht notwendig ist, dass eine Quecksilberatmosphäre vorliegt, um die Emission des verdampften, jedoch nicht vollständig dissoziierten Metallhalogenide gemäss der vorliegenden Erfindung durch Kollision zu verbreitern.

Obgfeich es nicht notwendig ist, ist es jedoch aus einen anderen " Grund wünschenswert, dass Quecksilber in der erfindungsgemässen Lampe vorhanden ist. Der Grund für diesen Quecksilberzu3atz zu den erfindungsgemässen Lampen liegt darin, dass es zur Erzielung einer maximalen Wirksamkeit wünschenswert ist, dass der Glühfaden von einer Hochtemperaturdampfzone umgeben ist, . um zu bewirken, dass die molekulare Spektralemissionszone einen möglichst grossen Teil des Koxoenvolumens einnimmt. Auf diese Weise wird zur Erzielung einer hohen Wirksamkeit so viel wie möglich des im Dampfzustand vorliegenden verdampften Metallhalogenids in den Strahlungsprozess einbezogen.

Das Optimum wird dadurch erreicht, dass der Faden auf einer Temperatur gehalten wird, die so hoch wie irgend möglich ist-y und dass der Faden von der Kolbenwand so gut wie irgend möglich isoliert wird, um nämlich eine Anpassung an die weiteren Erfordernisse zu erreichen, dass die Kolbenwand eine Temperatur aufweist, die in dem Beteich liegt, der für die Aufrechterhaltung des erforderlichen Partialdruckes des verdampfbaren Metallhalogenide in dem Kolben notwendig ist. Tatsächlich sollten zu grosse Wärmeverluste durch Leitung vermieden werden. Solche Wärmeverluste durch Leitung werden auf einem Minimum

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gehalten, in dem Quecksilber bei einem Druckbereich von 1 bis 20 Atm., vorzugsweise bei einem Bereich von 3 bis 10 Atm., 'eingeschlossen wird. Da der Quecksilberdampf ein Dampf mit hohem Molekulargewicht ist, ergibt sich eine grosse thermische Trägheit, wenn das Quecksilber bei hohen Drucken vorliegt, und daher bewirkt die Anwesenheit des Quecksilbers innerhalb des gewünschten Druckbereiches Wärmeverluste des Fadens durch Leitung und das den Faden umgebende Volumen wird stark reduziert. Demgemäss wird zur Steigerung der Wirksamkeit bevorzugt, dass die Menge des Quecksilbers in dem Kolben in der Grössenordnung von 1 bis 20 Atm. und vorzugsweise von 3 bis 10 Atm. vorliegt.

Der tatsächliche Mechanismus der Molekularlinienemission gemäss der vorliegenden Erfindung ist an sich nicht ganz verständlich. Dass die Strahlung primär, wenn nicht vollständig, von molekular rer Art ist, ist sicher, da 3ie die Art eines Bandenspektruirs aufweist. Es ist jedoch nicht möglich, die genauen Strahlungsarten zu identifizieren. Berechnungen der Anregungsenergie ergeben, dass die beobachtete thermisch erregte Dampfstrahlung nicht diejenige der zugesetzten Verbindung ist. In gleicher Weise entspricht die Strahlung nicht der charakteristischen Strahlung des reinen Subhalogenids (des Monohalogenids), wie es in der Literatur beschrieben ist (sh. G. Herzberg "Spectra of Diatomic Molecules", D. Van Nostrand, 1950). Allem Anschein nach ist die starke Emissionscharakteristik des Dampfzusatze3 in den erfindungsgemässen Lampen einmalig, und rührt von der Anregung der Dämpfe durch die Temperatur des Glühfadens her. Ein e Möglichkeit für die in der Tat 3ehr viel spricht, wäre die, dass die Strahlung auf einen Übergang von einer Halogenidart in die andere zurückzuführen ist.

Die erfindungsgemässen Lampen arbeiten im wesentlichen wie folgt:

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Wenn der Glühfaden geheizt wird, steigt seine Temperatur auf einen Wert von ungefähr 250O⁰K und verdampft schnell das gesamte in dem Kolben enthaltene Quecksilber (obgleich solches nicht unbedingt vorhanden sein muss) und gleichzeitig steigt die Temperatur der Kolbenwand, so dass deren kältester Teil über 400° C beträgt, wodurch eine wenigstens teilweise Verdampfung des polyvalenten, bei hoher Temperatur teilv/eise dissoziierbaren Metallhalogenide im Inneren des Kolbens stattfindet, so dass für jedes Metallhalogenid ein Partialdruck aufgebaut wird, der im Bereich von etwa 0,1 bis 500 Torr liegt. Wenn das verdampfte Metallhalogenid in die Umgebung des Fadens kommt, die nachfolgend als Fadenzone bezeichnet wird, bringt die Temperatur dieser Zone die Moleküle des verdampften Metallhalogenids auf eine Energiestufe, die ausreicht, um ein Bandenspektrum auf Grund des molekularen Übergangs auszusenden. Gleichzeitig können einige der ursprünglichen Metallhalogenide in Subhalogenide dissoziiert werden, die gleichfalls spektrale Bandenstrahlung im sichtbaren Spektrum emittieren und somit eine Vergrösserung der von der Fadenzone ausgesandten Glühstrahlung bewirken.

Die gemäss der vorliegenden Erfindung konstruierten Lampen zeigen eine verbesserte Wirksamkeit, die bis zu etwa 40 Lumen pro Watt betragen kann.

Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, dass die Metallhalogenide bei der Kolbenwandtemperatur, nämlich ^00⁰C bis 1200°C, verdampft werden, dass sie jedoch bei der Fadentemperatur von 250O⁰K bis 32OO°K nicht vollständig dissoziieren, sondern statt dessen zum grössten Teil nur teilweise zu Subhalogeniden dissoziiert sind, so dass das verdampfte Halogenid in im wesentlichen molaren Formen in der Phasenzone vorliegt. Diese molekulare Gattung wird durch die Hitze des Fadens auf einen höheren Energiezustand geb rächt und sendet molekulare Spektralstrahlung aus, die die Lichtabgabe des Glühfadens vergrössert. Bei der vorliegenden Erfindung ist die Anwesenheit

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von Quecksilber nicht erforderlich, um eine Linienverbreiterung durch Kollision zu erreichen. Um einen Hitzeverlust der Fadenzone durch Leitung zur Kolbenwand zu verhindern, ist jedoch die Anwesenheit von 1 bis 20 Atm. Quecksilber wünschenswert, um so die Temperatur der Fadenzone auf einem optimalen Wert zu halten und die Strahlungswirksamkeit zu vergrössern.

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Claims (8)

ANSPRÜCHE:

1. Glühlampe mit verbesserter Lichtausbeute nach der deutschen Patentanmeldung G 51 028 VIIIc/21f mit einem evakuierbaren lichtdurchlässigen Kolben, einem darin anneordneten Glühfaden, der einen wesentlichen Teil des gesamten Innenvolumens dieses Kolbens ausmacht, einer Füllung verdampfbaren Materials in diesem Kolben, die eine ausreichende Menge Quecksilber enthält, um während des Betriebes des Glühfadens zu verdampfen und in dem Kolben einen Queck-

" silberdruck von 1 bis 20 Atm. zu ergeben, einer Menge wenigstens eines verdampfbaren Metallhalogenide, deren Bestandteile und Drucke innerhalb des Kolbens frei von Dämpfen mit niedrigem Druck und niedrigem Ionisierungspotential sind, um während des Betriebes der Lampe einen gasförmigen Zusammenbruch auszuschließen, und die Form der inneren Oberfläche dieses Kolbens und die Anordnung des Fadens solchermaßen sind, daß ein dichter und irn wesentlichen gleichmäßiger Abstand zwischen dem Äußeren des Fadens und der inneren Kolbenoberfläche gewährleistet ist, um den kältesten Teil der inneren Oberfläche auf einer Temperatur von JfOO⁰C bis 1200⁰C zu halten, d a -

) durch gekennzeichnet, daß das ver— dampfbare Metallhalogenid in der Nähe des Fadens nicht wesentlich dissoziiert ist, und dadurch Metallatome freisetzt, sondern im wesentlichen irn molekularen Zustand vorliegt und durch die thermische Energie des Fadens angeregt wird Molekularspektren auszusenden, die die Strahlung des Fadens vergrößern.

2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das verdampfbare Metallhalogenid ein Bromid, Jodid, oder Chlorid von einem der Metalle Zinn, Antimon, Zink, Cadmium, Blei, Quecksilber, Germanium

oder Arsen ist. _ΛΛΛΛΑΑ

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3. Lampe nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet , daß das verdampfbare Metallhalogenid während des Betriebes in dem Kolben mit einem Druck von 10 bis 200 Torr vorliegt.

k. Lampe nach den Ansprüchen 2 bis 3> dadurch gekennzeichnet , daß das verdampfbare Metallhalogenid Zinnbromid ist.

5. Lampe nach den Ansprüchen 2 bis 3, dadurch Ce kennzeichnet , daß das verdampfbare Metallhalogenid Zinnjodid ist.

6. Lampe nach den Ansprüchen 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß das verdampfbare Halogenid Zinnchlorid ist.

7. Lampe nach den Ansprüchen 2 bis 3» dadurch gekennzeichnet , daß das verdampfbare Halogenid ^ntimontrijodid ist.

8. Glühlampe, dadurch gekennzeichnet, daß sie nicht wesentlich dissoziierte Metallhalogenide, wie sie vorstehend und in Verbindung mit den Figuren 1 bis 3 beschrieben sind, aufweist.

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