DE290932C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Bei elektrischen Glühlampen mit metallischem Leuchtkörper ist die Nutzbrenndauer dadurch beschränkt, daß sich das Metall mehr oder weniger schnell infolge Verdampfung oder Zerstäubung auf der Glockenwand als Beschlag niederschlägt. Infolge der hierdurch entstehenden Verdunklung der Glaswand einerseits und infolge der Schwächung des Metallfadens andererseits nimmt die Leuchtkraft immer mehr ab und setzt dadurch der nutzbaren Brenndauer ein Ziel. Diese Erscheinungen treten um so stärker auf, je höher die Belastung der Lampe, ausgedrückt in Watt pro Kerze, ist. Zur Verminderung dieser schädlichen Erscheinung wurde bereits wiederholt vorgeschlagen, in die Lampen indifferente, die Wärme schlecht leitende Gase einzuführen, um durch den Gasdruck die Verdampfung des Leuchtkörpers zu verringern. Diese Versuche sind beinahe so alt wie die elektrische Glühlampe selbst, denn sie gehen bis auf die amerikanische Patentschrift 274295 von Edison zurück. Edison schlug vor, Kohlefadenlampen mit Stickstoff oder Zyangas zu füllen. Abgesehen davon, daß diese Gase für Kohlefadenlampen nicht geeignet sind, weil sie sich gegenüber dem Kohlefaden nicht indifferent verhalten, sondern auf ihn chemisch einwirken, ergibt sich bei Gasfüllung schon von verhältnismäßig niedrigen Drücken aufwärts, ein anderer Ubelstand, nämlich ein großer Energieverlust infolge des Umstancks, daß das Gas eine große Wärmemenge vom Faden durch Leitung und Konvektion wegführt. Edison war sich dieses Ubelstandes bewußt und hoffte, diesen Energieverlust durch Steigerung der Temperatur, bei welcher der Faden benutzt wird, wettmachen zu können; außerdem schlug er vor, die Konvektion dadurch zu verringern, daß der Faden einen kleineren Querschnitt als üblich erhalte. Die Hoffnung Edisons hat sich nicht erfüllt, und es wurden in der Praxis nur solche Kohlefadenlampen hergestellt, die möglichst gutes Vakuum besaßen. Bei den Metallfadenlampen wurde teilweise von der Forderung eines möglichst guten Vakuums abgewichen, jedoch wurden nicht indifferente Gase angewendet, sondern oxydierende. Dabei war der Gasdruck so gering, daß keine nennenswerte Wärmeleitung bzw. Konvektion auftrat. Er betrug bei den mit 1,5 Watt brennenden Osmiumlampen etwa 0,1 bis 0,2 mm Hg, während bei den mit 1 Watt und noch weniger brennenden Wolframlampen nur noch Gasspuren zugelassen wurden, indem man in die Lampen feste, gäsabspaltende Stoffe von niedrigem Zersetzungsdruck brachte. Bei diesen Drücken treten namentlich bei höherer Spannung Entladungserscheinungen auf, durch welche der Leuchtkörper vorzeitig und plötzlich zerstört wird. Die geringen Gasmengen haben hierbei die Aufgabe, den Beschlag zu verhüten

oder in eine weniger undurchsichtige Verbindung überzuführen.

Eingehende Versuche im Verein-mit theoretischen Überlegungen haben nun dazu geführt, daß es tatsächlich möglich ist, Lampen mit indifferenter Gasfüllung herzustellen, bei welchen der Energieverlust durch Wärmeleitung und Konvektion durch Steigerung der Temperatur. nicht nur wettgemacht werden kann, sondern

ίο bei welchen bei einer praktisch ausreichenden Nutzbrenndauer überraschenderweise sogar eine Verbesserung der Ökonomie erzielt werden kann. Es ist auf Grund der Erfindung bereits jetzt gelungen, Lampen herzustellen, welche bei einem Verbrauch von o, 5 Watt pro Kerze viele ι oo Stunden brennen können. Dies ist ein Energieverbrauch, der bisher nur beim Bogenlicht erzielt werden konnte.

Bei den den Gegenstand der Erfindung bildenden Glühlampen wird als Leuchtkörper hauptsächlich ein Wolframfaden, insbesondere ein Wolframdraht benutzt. Als Gas zur Füllung der Lampenglocke dient z. B. Stickstoff, Argon oder Quecksilberdampf, welche die schlechtesten Wärmeleiter sind und Metallfaden nicht angreifen. Der Gasdruck wird in der Größenordnung von Vio bis ι Atmosphäre gewählt, bezogen auf die kalte Lampe. Er kann bis etwa 50 mm Hg hinuntergehen, andererseits auch mehr als 1 Atmosphäre betragen, soll aber nicht so groß sein, daß durch die während des Brennens der Lampe eintretende Drucksteigerung die Lampe gefährdet wird. Bei diesen Drücken treten auch bei einer Spannung von 220 Volt keine schädlichen Gasentladungen auf. Die Anwendung einer solchen Gasfüllung genügt aber noch nicht, um einen technischen Fortschritt zu erzielen. Hierzu ist vielmehr noch erforderlich, den Leitungs- und Konvektionsverlust herabzudrücken, und dies kann gemäß der Erfindung durch eines der im folgenden angegebenen Mittel erreicht werden.

Wendet man eine Stickstoffüüung von etwa Atmosphärendruck bei einem Wolframfaden vom Durchmesser 0,05 mm an, so ist der Leitungs- und Konvektionsverlust außerordentlich groß, und man muß die Fadentemperatur, um ihn nur wettmachen zu können, bereits sehr hoch treiben, ohne dann im ganzen genommen einen Vorteil erzielt zu haben. Man müßte nämlich, um einen Wattverbrauch von 1,25 Watt pro Kerze zu erzielen, die Fadentemperatur bei der angegebenen Stickstoffüllung auf jenen Wert bringen, bei welchem der Faden im Vakuum mit 0,5 Watt pro Kerze brennen würde. Von dem gesamten Energieverbrauch der Lampe würden also ³/₅ auf den Verlust durch Wärmeleitung und Konvektion entfallen und nur ²/₅ auf die strahlende Energie. Wendet man dagegen einen Faden von 0,10 mm in derselben Stickstoffatmosphäre an, so sind bei derselben Temperatur, die 0,5 Watt pro Kerze im Vakuum entspricht, nur noch 0,9 Watt pro Kerze erforderlich und bei einem Faden vom Durchmesser 0,30 mm nur noch 0,65 Watt. Bei einem Faden von 0,30 mm entfallen also bei einem Wattverbrauch von 0,65 Watt pro Kerze 0,15 Watt auf Leitungs- und Konvektionsverlust, also weniger als 25 Prozent. Das erste Mittel, um diese Verluste herabzudrücken, besteht also gemäß der Erfindung darin, daß man im Gegensatz zu der von Edison vertretenen Ansicht den Durchmesser bzw. Querschnitt des Fadens vergrößert, und zwar wird man in der Praxis, um einen nennenswerten Vorteil zu erzielen, mindestens so weit gehen müssen, daß diese Verluste nur mehr weniger als etwa 40 Prozent des gesamten Wattverbrauches betragen.

Die theoretische Erklärung dieser vorteilhaften Wirkung der Querschnittsvergrößerung dürfte in der Annahme zu sehen sein, daß der Leitungs- bzw. Konvektionsverlust nicht einfach der Fadenoberfläche proportional ist, sondern mehr von der Größe des Raumes abhängt, der sich von der Fadenoberfläche aus auf eine bestimmte Entfernung hin erstreckt, welche von der Größenordnung eines Millimeters zu sein scheint. Der Konvektionsverlust ist also um so kleiner, je kleiner dieser Rauminhalt im Verhältnis zu der Fadenoberfläche ist, welcher die ausgestrahlte Lichtmenge proportional ist.

Bei diesen großen Fadendurchmessern kommt man bei den gebräuchlichen Spannungen von no und 220 Volt auf sehr lange Leuchtkörper und auf sehr große Kerzenstärke. Um Lampen für kleinere Kerzenstärke zu erhalten, müßte man also die Lampen für niedrige Spannungen herstellen und in Serienschaltung oder unter Zwischenschaltung von Transformatoren speisen. Das Anwendungsgebiet wäre also ziemlich beschränkt. Von dieser Beschränkung sind die weiteren gemäß der Erfindung zur Begrenzung des Leitungs- und Konvektionsverlustes anzuwendenden Mittel in weitgehendem Maße frei. Diese Mittel bestehen darin, daß man statt eines Leuchtkörpers von kreisrundem Querschnitt hohle Leuchtkörper oder gewalzte Bänder, verseilte Drähte, Drahtnetze bzw. Drahtgewebe anwendet oder den Faden in besonderer Weise anordnet.

Durch die angegebene Formgebung des Leuchtkörpers erreicht man eine starke Vergrößerung seiner Oberfläche gegenüber seinem Querschnitt. Der Leuchtkörper für eine Lampe von bestimmter Spannung und bestimmter Stromstärke wird dadurch bedeutend kürzer als bei Verwendung von kreisrundem Draht. Ein Band oder ein hohler Draht verhält sich also verglichen mit kreisrundem Draht so, wie wenn er aus einem Stoffe von. viel höherem Widerstände bestände. Es gelingt so, bei.

gleichbleibender Gesamtoberfläche die Länge des Leuchtkörpers unter Vergrößerung des Umfanges zu verkürzen. Man hat bereits früher profilierte Leuchtkörper, z. B. in Bandform oder als Hohlkörper, verwendet, aber nur zu dem Zweck, um die Länge des Leuchtkörpers für eine bestimmte Spannung und Kerzenstärke zu verkleinern. Eine Verbesserung der Ökonomie kam hierbei nicht in Frage, die auf diese

ίο Weise hergestellten Lampen brannten vielmehr mit derselben Ökonomie wie andere Lampen mit kreisrundem Leuchtkörper. Im vorliegenden Falle wird gleichzeitig eine Verbesserung der Ökonomie erzielt.

Zur Erläuterung diene folgendes Beispiel. Von einem Draht von 0,05 mm Durchmesser braucht man bei 0,5 Watt pro Kerze im Vakuum für 110 Volt 410mm Länge. Diese Lampe hat dann 135 Kerzen. Füllt man diese Lampe mit Stickstoff von etwa Atmosphärendruck, so verbraucht sie, wie bereits oben erwähnt wurde, bei derselben Temperatur bzw. Leuchtstärke 1,25 Watt pro Kerze. Bei einem Band von der Dicke 0,002 mm und der Breite 0,27 mm braucht man für dieselbe Spannung von noVolt nur eine Länge von 113 mm. Hierbei haben das Band und der Draht etwa die gleiche Oberfläche und Kerzenstärke. Die abkühlende Wirkung des umgebenden Stickstoffs ist aber bei dem Bande entsprechend der geringeren Länge der abkühlenden Stickstoffhülle wesentlich geringer als bei dem Draht. Das Band brennt bei derselben Temperatur, welche 0,5 Watt im Vakuum entspricht, und bei derselben Leuchtstärke mit etwa 0,75 Watt pro Kerze. Bei Anwendung des Bandes ist also gegenüber dem kreisrunden Draht die Länge auf weniger als Y₃ verringert und die Ökonomie um 0,5 Watt pro Kerze verbessert.

Wie schon angedeutet wurde, bestehen weitere Mittel in besonderen Anordnungen des Fadens. Man kann ihn z. B. in Form einer Schraubenfeder aufwickeln, derart, daß zwischen den einzelnen Windungen nur sehr kleine Zwischenräume vorhanden sind. Die abkühlende Wirkung des Gases auf den schraubenlinienförmig angeordneten Leuchtkörper ist dann angenähert gerade so groß wie bei einem gewöhnlichen Draht, dessen Dicke gleich dem Durchmesser der Schraubenlinie ist; denn die kleinen Zwischenräume zwischen den einzelnen Windungen kommen für die Abkühlung nicht in Betracht. Die innerhalb des schraubenlinig gewundenen Leuchtkörpers liegenden Teile des für die Abkühlung in Betracht kommenden wirksamen Bereiches, welcher oben definiert ist, fallen hier für die Kühlung fort, und auch die außerhalb des Leuchtkörpers liegenden Teile dieses Bereiches überdecken sich teilweise, so daß der gesamte wirksame Kühlungsbereich und daher der Leitungs- und Konvektionsverlust verhältnismäßig sehr klein wird. Das eben angegebene Mittel kann mit dem früheren, in der Wahl eines Hohlkörpers, Bandes u. dgl. bestehenden Mittel vereinigt werden, und man erreicht dadurch, daß beispielsweise bei der Wahl eines bandförmigen Leiters das Band nicht so weit ausgewalzt werden muß wie im früheren Falle und daß dabei eine ebenso günstige oder noch günstigere Ökonomie erzielt wird.

Auch dies soll durch ein Beispiel erläutert werden. Stellt man die Lampe von 110 Volt und 135 Kerzen statt aus Band von den oben,; angegebenen Abmessungen aus Wolframband von 0,01mm Dicke und 0,125 mm Breite her, so braucht man bei jener Temperatur, welche 0,5 Watt pro Kerze im Vakuum entspricht, eine Länge von 261 mm und kommt dabei auf einen Verbrauch von 1,0 Watt pro Kerze. Ordnet man aber dieses Band nicht in Form einer oder zweier U-förmiger Schleifen, sondern schrauben-. linienförmig an, so daß es eine schraubenlinienförmig aufgeschnittene Röhre vom Durchmesser 2 mm bildet, so muß man dem Band eine Breite von 0,175 mm und eine Länge von 368 mm geben. Die Abkühlung durch das Gas ist aber bei diesem Bande nur mehr gleich derjenigen eines Drahtes von 2 mm Dicke, und bei einem solchen beträgt der Leitungs-. und Konvektionsverlust, wie sich aus Versuchen ergibt, nur etwa 8 Prozent. Diese Lampe würde also bei derjenigen Temperatur, welche 0,5 Watt im. Vakuum entspricht, mit 0,54 Watt brennen, während ein gewöhnlicher kreisrunder Draht in einer stickstoff gefüllte η Lampe von gleicher Spannung und Kerzenstärke bei der gleichen Temperatur 1,25 Watt erfordert. Die gesamte Verbesserung, der Ökonomie gegenüber dem kreisrunden und in gewöhnlicher Weise angeordneten Draht beträgt also in diesem Falle 0,7 Watt pro Kerze.

. Statt schraubenlinienförmig kann man den Leuchtkörper auch in anderer Weise so anordnen, daß seine einzelnen Teile sehr nahe aneinander liegen und sich die zugehörigen wirksamen Kühlbereiche mehr oder weniger überdecken. Man kann z. B. den Leuchtkörper Zickzack- bzw. schlangenförmig anordnen, derart, daß benachbarte Teile nur 1 mm oder weniger voneinander abstehen. Bei dieser Anordnung sind zwischen den benachbarten Teilen des Leuchtkörpers nicht Anziehungs-, sondern Abstoßungskräfte tätig.

Sehr zweckmäßig hat sich die in der Zeichnung dargestellte Lampenform erwiesen, wenn es sich um Lampen handelt, die hängend brennen sollen, so daß der Lampenfuß oben liegt. Um in diesem Falle eine zu starke Erhitzung der im Lampenfuß liegenden Einschmelzstelle zu verhüten, erhält die Lampenglocke 1 eine längliche Gestalt, und der Leuchtkörper 2, wel-

eher die Gestalt eines einfachen U-förmigtn ] Bügels besitzen mag und hierbei aus einem schraubenlinienförmig gewundenen Draht oder aus einem solchen Bande bestehen kann, wird von langen starken Stromzuführungsdrähten 3 aus Wolfram oder Molybdän getragen, die mit den Stromeinführungsdrähten 4 verbunden sind. Letztere durchsetzen die in der üblichen Weise hergestellte Einschmelzstelle 5. Bei dieser An-Ordnung liegt die Einschmelzstelle genügend weit vom Leuchtkörper, so daß sie weder durch strahlende Wärme noch durch den aufsteigen-

c.den heißen Gasstrom zu sehr erhitzt wird. Auch die Stromzuführungsdrähte 3 bleiben infolge ihrer großen Dicke genügend kühl, um keine schädlichen Gase abzugeben. Durch den hohen Gasdruck wird die Zerstäubung und Verdampfung des Fadens sehr stark vermindert, und die geringe noch zerstäubte bzw. verdampfte Menge wird durch den aufsteigenden heißen Gasstrom nach oben geführt und schlägt sich nur in dem oberen Teile der Glasglocke, welcher als Kühl- und Kondensations- bzw. Ablagerungsraum wirkt, an der Glockenwand bzw. an den langen Zuleitungen nieder. Der dem Faden gegenüberliegende Teil der Glasglocke bleibt dagegen ganz klar. Statt der beschriebenen Glockenform können auch andere benutzt werden, z. B. Kugelformen. Um die Kugel beschlagfrei zu erhalten, versieht man sie oben mit einem dom- oder schornsteinartigen Ansatz, welcher wieder als Ablagerungs- bzw. Kondensationsraum für das zerstäubte bzw. verdampfte Material dient.

Bei der Herstellung der Lampen ist sehr große Sorgfalt auf die Reinheit und Trockenheit des Füllgases zu legen, und auch die Lampenglocken, Stromzuführungsdrähte usw. sind sorgfältig von Feuchtigkeit und okkludierten Gasen zu befreien, indem sie z. B. während des Auspumpens der Lampen stark erhitzt werden.

Claims (4)

Patent-An Sprüche:

1. Elektrische Glühlampe mit einem Glühkörper aus Wolfram und indifferenter, die Wärme schlecht leitender Gasfüllung, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdruck sehr hoch (in der Größenordnung von Y₁₀ bis ι Atmosphäre) gewählt und gleichzeitig der Verlust durch Wärmeleitung und Konvektion durch die Größe oder Form des Leiterquerschnittes (z. B. flaches Band) oder durch enge Anordnung des Leiters (z. B.

in Schraubenlinienform) auf weniger als etwa 40 Prozent des gesamten Wattverbrauche herabgesetzt ist.

2. Elektrische Glühlampe nach Anspruch i, gekennzeichnet durch einen im oberen Teil befindlichen Ablagerungs- bzw. Kondensationsraum für das zerstäubte bzw. verdampf te Glühkörpermaterial.

3. Elektrische Glühlampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablagerungs- bzw. Kondensationsraum die Einschmelzstelle enthält und zu ihrer Kühlung dient.

4. Elektrische Glühlampe nach Anspruch 3, die in hängender Lage brennen soll, dadurch gekennzeichnet, daß der Glühkörper unter Benutzung langer Stromzuführungsdrähte im unteren Teil der länglichen Lampenglocke untergebracht ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.