DE3221084A1

DE3221084A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von elektrischen entladungen, insbesondere fuer elektrische entladungslampen

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Publication number: DE3221084A1
Application number: DE19823221084
Authority: DE
Inventors: Pavel Dr. 3257 Springe Imris
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-06-04
Filing date: 1982-06-04
Publication date: 1984-01-05
Also published as: DD230960A1; GB8315488D0; GB2122026A; DE3221084C2

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von
elektrischen Entladungen, insbesondere für elektrische Entladungslampen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischen Entladungen, insbesondere für elektrische Entladungslampen gemäß Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2.
Die Menschheit benutzt seit der Vorzeit sogenannte Temperaturstrahler als Lichtquellen. Hierzu zählen solche, die Kohlehydrate, wie Holz, öl, Alkohol, Gas, Paraffin, Petroleum usw., verbrennen. Die Lichtquelle, welche keine Kohlehydrate verbrennt, aber doch zu den Temperaturstrahlern gehört, ist die elektrische Glühlampe. Die Erfindung der Glühlampe ist mit bekannten Namen verbunden, wie mit dem Deutschen Heinrich Goebel und dem Amerikaner Thomas Alva Edison. In der elektrischen Glühlampe wird der Glühfaden durch den elektrischen Strom erhitzt.
Diese Erscheinung wird Temperaturstrahlung genannt.
Es gibt noch verschiedene andere Wege, um einen Stoff zum Leuchten zu bringen, z.B. bei der elektrischen Entladung in Gasen. In einer Gasentladung wird die elektrische Energie, die zur Anregung von Gasatomen benötigt wird, durch die Stöße von freien Elektronen auf die Gas atom übertragen und dadurch Licht erzeugt. Die Neonröhre ist ein Beispiel für eine solche Lichtquelle.
Ein anderes Mittel zur Anregung von Stoffen und Lichterzeugern ist die Bestrahlung bekannter Leuchtstoffe mit elektromagnetischer Strahlung. Dieses Phänomen ist in der Physik als Lumineszens, Fluoreszenz, Phosphoreszenz bekannt. Die Gasentladung erzeugt eine starke UV-Strahlung, die den auf der Innenwand der Entladungslampe angebrachten Leuchtstoff zum Leuchten bringt. Solche elektrischen Entladungslampen heißen Leuchtstofflampen oder Fluoreszenzlampen.
Ein weiterer Weg, um feste Stoffe anzuregen und Licht zu erzeugen, besteht darin, Leuchtstoffe mit Kathodenstrahlen zu beschießen. Zu dieser Kategorie der Lichtquellen gehört z.B.
die Bildröhre in den Fernsehgeräten.
Technisch unwichtig ist die Anregung auf mechanischem Wert beispielsweise durch Reibung,oder auf chemischem Weg, Erzeugung von Licht durch chemische Reaktionen.
Die Theorie der Temperaturstrahlung und die Theorie der Lumineszenz, Fluoreszenz und Phosphoreszens von Festkörpern ist in der wissenschaftlichen Literatur gut beschrieben. Die Theorie und die experimentellen Ergebnisse stimmen gut miteinander überein. Auf der heutigen Entwicklungsstufe der gesellschaftlichen Kultur werden die folgenden Lichtquellen am häufigsten benutzt: 1. Die elektrische Glühlampe mit klassischem Glühfaden - mit Krypton-Edeicjasfüllung - Halogen-Glühlampen 2. Elektrische Entladungslampen - Leuchtstofflampen mit verschiedenen Lichtfarben durch verschiedene chemische Zusammensetzung der Leuchtstoffe - Quecksilbermetalldampf-Niederdrucklampen - Quecksilberdampf-Pochdrucklampen - Halogen-Metalldampflampen - Natriumdampf-Niederdrucklampen - Natriumdampf-Hochdrucklampen oder - Mischlichtlampen (Glühlampe plus elektrische Entladungslampe) Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Erzeugung von elektrischen Entladungen, insbesondere für elektrische Entladungslampen.
Elektrische Entladungslampen sind in der Gegenwart wissenschaftlich und technisch hoch entwickelt. Der wichtige technische und wirtschaftliche Wert der elektrischen Entladungslampen ist der Wirkungsgrad, häufig auch "Lichtausbeute" genannt.
Dieser Wert wird in der Literatur angegeben als Lichtstrom in Lumen (Lm) pro Nennleistung der elektrischen Eingangsenergie in Watt (W). Die Einheit der Lichtausbeute ist somit Lm/W.
Weitere wichtige Parameter sind die Materialkosten sowie die Herstellungskosten und dies ohne und mit Vorschaltgeräten. Von der gesamten Gruppe der Entladungslempen werden die sogenannten Leuchtstofflampen am meisten benutzt. Im Glasrohr der Leuchtstofflampe befindet sich Quecksilberdampf von etwa 5 10 10-3 Torr bzw. 6,665 ' 10 Bar und zusätzliches Edelgas wie Argon mit einigen Torr bzw. Bar Gasdruck. An der inneren Seite des Glasrohres ist Leuchtstoffmaterial, genannt Leuchtstoff, angebracht.
Die elektrische Entladung findet in dem Quecksilberdampf und dem zusätzlichen Edelgas statt. Bis heute stabilisiert man diese elektrische Entladung mit bekannten Vorschaltgeräten.
Diesen Typ Leuchtstofflampe nennt man auch Niederdruck-Leuchtstofflampe. Der Aufbau und die technischen Daten der Niederdruck-Leuchtstofflampen sind in der Literatur ausreichend beschrieben. Von der bis heute benutzten klassischen Entladung wird erwartet, daß sie vorwiegend die Resonanzstrahlung des Quecksilberdampfes in Wellenlängen von 253,7 nm zur Anregung des Leuchtstoffes mit gutem Wirkungsgrad aussendet. Für die Herstellung der Leuchtstofflampe hat bis heute kein Hersteller eine andere Entladung als die klassische elektrische Entladung benutzt. Die klassische elektrische Entladung ist die einfachste Gasentladung, die in einem Entladungskanal zwischen zwei Elektroden stattfindet. Die benutzten Elektroden können entweder kalt oder geheizt sein. Bis heute hat man bei der Entwicklung der Leuchtstofflampe versucht, die Kinetik der klassischen elektrischen Entladung mit verschiedenen Mitteln zu beeinflussen.
Zu Anfang war es ein einfaches Glasrohr, das an den Enden mit Elektroden versehen war. In einer späteren Entwicklungsstufe war es nicht mehr ein gerades Glasrohr, sondern ein geknicktes oder teilweise gebogenes Glas rohr oder auch ein Glasrohr mit sich änderndem Durchmesser.
Durch die DE-OS 30 05 052 ist eine elektrische Entladungslampe bekannt geworden, bei der ein U-förmiges oder Doppel-U-förmiges Glasrohr eingesetzt wird. Hierdurch entsteht ein komplizierter Entladungskanal.
Die Veröfferltlicllung der Firma Philips "SL*Lamps" (3/81) zeigt, daß eine solche Leuchtstofflampe auf dem Markt ist und nach Angabe des Herstellers einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist. Durch die Biegung des Glasrohres verändert man tatsächlich die elektrischen Felder der klassischen Entladung, wodurch teilweise die Kollisionszahl in der positiven Säule der Entladung beeinflußt wird. Dies hat jedoch nur eine geringe Verbesserung des Wirkungsgrades der Leuchtstofflampe zur Folge.
Die meisten Hersteller von Leuchtstofflampen benutzen für die elektrische Entladung Wechselstrom mit einer Frequenz zwischen 40 und 60 Hz. In den sechziger Jahren experimentierte man auch mit höheren Frequenzen als 60 Hz.
Der Veröffentlichung der Firma Osram GmbH "Elektronisches HF-Startsystem, Quicktronic und Lumilux L-Lampen" (Februar 1982) ist entnehmbar, daß bei einer Frequenz des Entladungsstromes von etwa 35 KHz eine Lichtausbeute von 104 Lumen pro Watt (Lm/W) erreicht wird. Unter der Voraussetzung der Richtigkeit dieses Wertes von 104 Lm/W stellt dieser Wert wohl den größten Wirkungsgrad von Leuchtstofflampen her, der bis heute erreicht wurde. Die Firma Osram benutzt zur Erzeugung des 35KHz-Stromes allerdings einen Hochfrequenzgenerator als Zusatzgerät. Dieser Hochfrequenzgenerator ist mit einer Filterdrossel, einem Entstörungsfilter und einer Gleichrichtungssiebung versehen. Solche Vorschalt- und Zusatzgeräte erhöhen die Herstellungskosten und den Raumbedarf für die Installation.
Es sei noch darauf hingewiesen, daß es bekannt ist, daß ein Hochfrequenzentladungsstrom die Resonanz strahlung des Quecksilberdampfes verbessert und dadurch auch den Wirkungsgrdd der Leuchtstofflampe. Es handelt sich aber auch hier um die bekannte klassische Entladung. Bis heute geht aus der wissenschaftlichen Literatur sowie aus der Patentliteratur nicht hervor, ob auch etwas anderes als die klassische elektrische Entladung für die Entladungslampen ausnutzbar ist.
Die Wirkung zwischen der klassischen elektrischen Entladung und der Fluoreszenz oder Phosphoreszenz ist in der Literatur theoretisch sowie experimentell sehr gut beschrieben.
Die bisherige Entwicklung verfolgt stets das Ziel, mit Hilfe der klassischen elektrischen Entladung die höchstmögliche Intensität des Lichtes bei einer Resonanzlinie von 253,7 nm zu erzeugen. Kollisionen der elektromagnetischen Strahlung (253,7 nm) mit dem auf der Innenseite der Glasröhren angebrachten Leuchtstoff soll sichtbares Licht mit großem Wirkungsgrad erzeugen. Aus diesem Grund hat man die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Leuchtstoffmaterialien eingehend studiert. Als Leuchtstoffe sind in der Literatur bekannt Silikate, Wolframate, Molybdate, Phosphate, Borate, Halophosphate und viele andere. Die chemische Zusammensetzung sowie die Kristallstruktur und die Teilchengröße des LeuchtstoffeS entscheiden nicht nur die Lichtfarbe (Spektrum) der Leuchtst6fflampe, sondern u.a. auch die Lichtausbeute, also den Wirkungsgrad der Lampe.
Beim heutigen Stand der Technik wird mit den bekannten Leuchtstofflampen folgende Lichtausbeute erreicht bei einer Entladungsstromfrequenz von 50 Hz: Neutral weiß zwischen 50 Lm/W und 70 Lm/W; Warmton zwischen 58 Lm/W und 80 Lm/W; Weiß zwischen 55 Lm/W und 75 Lm/W.
Die bis heute beste Lichtausbeute einer Leuchtstofflampe ist 104 Lm/W bei 35 kllz Entladungsstromfrequenz, s. oben angeführte Veröffentlichung der Firma Osram GmbH.
Damit scheint der Entwicklungsweg der Leuchtstofflampe am Ende angelangt zu sein. Mit Hilfe der klassischen elektrischen Entladung kann der Wirkungsgrad der heutigen Leuchtstofflampen nicht weiter verbessert werden. Diese Erkenntnis begründet sich aus den Kenntnissen über das Verhalten der Elektronen in dem klassischen Entladungskanal.
Der Vollständigkeit halber soll nachfolgend noch die Lichtausbeute der anderen elektrischen Entladungslampen angegeben werden Natriumdampf-Niederdrucklampen : Lichtausbeute 130-180 Lm/W Natriumdampf-Hochdrucklampen : Lichtausbeute 80-120 Lm/W Halogen-Metalldampflampen ; Lichtausbeute 70-90 Lm/W Quecksilber-Hochdrucklampen : Lichtausbeute 40-60 Lm/W Mischlichtlampen : Lichtausbeute 15-35 Lm/W.
Diese oben genannten Lampen sind jedoch nicht für die Beleuchtung von Innenräumen wie Wohnräumen, Büroräumen oder Fabriken geeignet. Der Grund dafür besteht darin daß jene Lampen fast nur monochromatisches Licht erzeugen, und deshalb sind sie vor allem für Straßenbeleuchtung und spezielle Anwendungen geeignet.
Fast alle elektrischen Entladungslampen benötigen zusätzlich Vorschaltgeräte zur Stabilisierung der klassischen Entladung. Ohne diese Vorschaltgeräte ist die Funktion jener Lampen fast unmöglich.
Nachfolgend soll der die elektrische Entladung betreffende Stand der Technik diskutiert werden.
Den elektrischen Stromfluß in Gasen nennt man elektrische Entladung. Elektrische Entladungen werden nach mehreren physikalischen Kriterien eingeteilt, z.B. elektrodenlose Entladungen (Hochfrequenzentladungen) oder Entladungen mit Hilfe von Elektroden. Eine weitere Unterteilung erfolgt nach den Typen der Elektroden, z.B. kalte Elektroden oder heiße Elektroden, Plattenelektroden, Fadenelektroden, zahn- oder nadelförmige Elektroden usw. Ferner unterteilt man die Entladungen nach der Stromart, z.B. Wechselstromentladungen oder Gleichstromentladungen. Außerdem gibt es eine Einteilung nach dem Entladungsdruck, z.B. Niederdruckentladungen, Hochdruckentladungen usw. All diese Gasentladungen finden zwischen zwei Elektroden in einem geraden oder gebogenen Entladungskanal statt. Die Vorrichtungen zur Erzeugung dieser elektrischen Entladungen sind mit zwei Elektroden, einer Anode und einer Kathode versehen, und der elektrische Strom in dem ionisierten Gas fließt zwischen diesen beiden Elektroden. Diese Art der elektrischen Entladung wird hier als "klassische elektrische Entladung" bezeichnet.
Zum erstenmal wurde in der Literatur durch die DE-PS 25 39 715, die eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon betrifft und auf den Anmelder der vorliegenden Anmeldung zurückgeht, eine sogenannte bipolare elektrische Entladung" bekannt. Diese Druckschrift betrifft aber nicht den Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Die DE-PS 21 65 249 betrifft gleichfalls eine auch auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung zurückgehende "Vorrichtung zur Herstellung von Ozon" und beschreibt eine elektrische Entladung auf der Oberfläche eines zweiteiligen Dielektrikums eines elektrischen Kondensators. An den Kondensatorplatten des Kondensators ist die elektrische Spannung einer ersten Hochspannungsquelle angeschlossen. Zwischen dem geteilten Dielektrikum befindet sich ein Entladungskanal. An den Enden dieses Entladungskanals sind die eine Entladungselektrode (Anode) und die andere Entladungselektrode (Kathode) angeordnet. Die Elektroden sind mit einer zweiten Hochspannungsquelle verbunden. Diese Hochspannungsquelle liefert die elektrische Spannung und den Strom für die Gasentladung im Entladungskanal. Die erste Hochspannungsquelle hat die Aufgabe, die Ionen im Entladungskanal nach der Polarität (+ und -) zu trennen und an der Oberfläche des Dielektrikums festzuhalten.
Ein solcher Entladungskanal weist einen großen elektrischen Widerstand auf, wodurch die Entladungsspannung zwischen den Elektroden wesentlich höher sein muß als bei der klassischen Entladung. Eine höhere Entladungsspannung verursacht eine höhere Elektronenenergie (eV) und dadurch einen höheren Wirkungsgrad der Ozon-Synthese in einer solchen elektrischen Entladung.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischen Entladungen, insbesondere für elektrische Entladungslampen, anzugeben, wodurch eine wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrades erzielbar ist.
Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung und vorrichtungsmäßig durch die im Anspruch 2 angegebene Erfindung gelöst.
Die Erfindung nach den Ansprüchen 1 und 2 offenbart eine neuartige Lösung zur Erzielung einer elektrischen Entladung, durch die eine wesentlich höhere Elektronendichte im Entladungsgas erreicht wird als bei herkömmlichen elektrischen Entladungen und wodurch entsprechend ein wesentlich höherer Lichtstrom erzeugt werden kann.
Die elektrische Entladung gemäß vorliegender Erfindung findet sozusagen in einem Plasmakondensator statt, was nachfolgend erläutert werden soll.
Der klassische elektrische Kondensator besteht in einfachster Form aus zwei mit Dielektrikum isolierten und parallel zueinander angeordneten Metallplatten, auf denen sich die entgegengesetzten elektrischen Ladungen (+ und -) ansammeln. Zwischen diesem klassischen Kondensator und der vorliegenden Erfindung besteht folgender Unterschied : Anstelle der Metallplatten bildet ionisiertes Gasplasma wenigstens eine der Kondensatorplatten. Zwischen solchen Plasmakondensatorplatten befindet sich ein klassisches Dielektrikum. Die elektrische Entladung findet nun zwischen diesel Plasmakondensatorplatten statt. Das wichtigste physikalische Phänomen dieses Plasmakondensators ist, daß sich die Entladungsspannung zwischen den Plasmakondensatorplatten an det Oberfläche des Dielektrikums bildet. Folglich ist nur eine Hochspannungsquelle notwendig, die gleichzeitig die elektrische Spannung für den Plasmakondensator und die elektrische Spannung für die elektrische Entladung liefert. An der Oberfläche des Dielektrikums bildet sich aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung ein monopolares Plasma aus, je nach der Polarität der elektrischen Spannung. In dem so gebildeten Plasma finden in der elektrischen Entladung zwischen negativen Elektronen und positiven Ionen unelastische Stöße statt. Zusätzlich finden erfindungsgemäß elastische Stöße zwischen positiven und negativen Ionen auf der Oberfläche des Dielektrikum statt. Diese Stöße erzeugen monopolare elektrostatische Impulse. Die Frequenz dieser elektrostatischen Impulse hat ein sehr breites Spektrum und liegt zwischen einigen Kilohertz (kHz) und mehreren hundert Megahertz (MHz). Diese elektrostatischen Impulse haben jedoch eine geringe Energie und sind deshalb für die Lichterzeugung in elektrischen Entladungslampen vorteilhaft nutzbar. Damit stellt die erfindungsgemäße elektrische Entladung sozusagen einen Hochfrequenzgenerator dar, der monopolare elektrostatische Impulse mit geringer Energie erzeugt.
Die elektrische Entladung in einem wie oben erläuterten Plasmakondensator ist bis heute in der Literatur nicht bekannt. Es werden, wie erwähnt, monopolare elektrostatische Hochfrequenzimpulse erzeugt, welche eine größere Elektronendichte verursachen als durch die klassische elektrische Entladung erreichbar ist. Durch die größere Dichte der Elektronen im Entlcdungsgas vergrößert sich die Kollisionszahl zwischen den Elektronen einerseits und den Metalldampfatomen und Gasatomen andererseits, wodurch sich der Lichtstrom auch proportional vergrößert. Eine solche erfindungsgemäße elektrische Entladung kann mit großem Vorteil für die Lichterzeugung in elektrischen Entladungslampen benutzt werden, da die Lichtausbeute (in Lumen pro Watt, Lm/W) zwei- bis dreimal größer ist als bei bekannten Leuchtstofflampen. Durch die Anwendung der elektrischen Entladung gemäß vorliegender Erfindung ist keine Veränderung des technischen Prinzips der Leuchtstofflampen oder anderer Entladungslampen notwendig.
Die einzige Änderung liegt lediglich im physikalischen Prinzip und in der Vorrichtung zur Erzeugung der elektrischen Entladung. Der Wirkungsgrad der Leuchtstofflampen, die die Erfindung verwenden, ist zwei- bis dreimal größer als der der bekannten Leuchtstofflampen. Durch den besseren Wirkungsgrad sind nur 50 bis 33 % der elektrischen Energie erforderlich, um die gleiche Lichtstrommenge zu erzeugen.
Die elektrische Entladung gemäß vorliegender Erfindung ist selbständig und stabil und verlangt keine Vorschaltgeräte wie die Vorrichtungen dem Stand der Technik, die Starter, Drossel usw. verwenden. Wolfram-Elektroden sind ebenfalls nicht mehr notwendig, wodurch dieses wichtige und teure Material eingespart werden kann. Bei Verwendung der vorliegenden Erfindung ist die Lampen-Nutzbrenndauer größer als bei den bekannten Leuchtstofflampen. Ohne die bisher notwendigen Vorschaltgeräte besitzt die Entladung nach der vorliegenden Erfindung nur Ohm'schen Widerstand, und deshalb ist der Netzleistungsfaktor der Wechselspannung bzw. des Wechselstromes stets 1.
Die Herstellungskosten einer Entladungslampe, die die vorliegende Erfindung nutzt, sind wesentlich kleiner als beim heutigen Stand der Technik, da die Kosten für die Vorschaltgeräte eingespart werden können und preiswertere Materialien verwendet werden können.
Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Bezüglich der Vorrichtung nach der DE-PS 21 65 249 ist noch anzumerken, daß die erfindungsgemäß erzeugte elektrische Entladung bei einer wesentlich geringeren Entladungsspannung erfolgt.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden.
Es zeigt Fig. 1 einen Teil einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Schnitt (Parallelschaltung von vier Plasmakondenstatoren) Fig. 2 einen Plasmakondensator nach Fig. 1 im Querschnitt, der aus einer Plasmaplatte, bestehend aus negativ geladenen Teilchen und einer positiven Kondensatorplatte beiderseits eines Dielektrikums besteht und aus der das Prinzip der elektrischen Entladung gemäß der vorliegenden Erfindung ersichtlich ist, Fig. 3 zwei Plasmakondensatoren im Schnitt in einer anderen Ausführungsform mit je zwei Plasmaplatten, Fig. 4 ein komplettes radiales Entladungselement im axialen Schnitt, Fig. 5 Bauteile des radialen Entladungselementes nach Fig. 4, Fig. 6 weitere Bauteile des Entladungselementes nach Fig. 4, Fig. 7 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form eines axialen Entladungselementes im Querschnitt, Fig. 8 eine seitliche Ansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Entladungselementes, Fig. 9 eine birnenförmige elektrische Lampe mit einem erfindungsgemäßen radialen Entladungselement,teilweise in einer Seitenansicht und teilweise im Schnitt, Fig. 10 eine rohrförmige elektrische Lampe mit einem erfindungsgemäßen radialen Entladungselement, teilweise in einer Seitenansicht und teilweise im Schnitt, Fig. 11 eine grafische Darstellung von im erfindungsgemäßen Plasmakondensator mit elektrischer Gleichstrom-Entladung erzeugten monopolaren elektrischen Impulsen, Fig. 12 eine grafische Darstellung von monopolaren elektrischen Impulsen, die im erfindungsgemäßen Plasmakondensator mit elektrischer Wechselstrom-Entladung erzeugt werden, und Fig. 13 einen Entladungskanal mit erfindungsgemäßem Entladungselement im Schnitt zur Verwendung für die chemische Synthese in einer elektrischen Entladung nach der vorliegenden Erfindung.
Für gleiche Bauteile sind in den Figuren der Zeichnung die gleichen Bezugs zeichen verwendet.
Die Zeichnung zeigt eine Vorrichtung in Form eines oder mehrerer gleicher Kondensatoranordnungen 2, nachfolgend auch Plasmakondensator 2 genannt. Der Plasmakondensator 2 weist einen Dielektrikumkörper 4 mit Dielektrikumwänden 6 auf.
Zwischen den Dielektrikumwänden 6 sind Spalte 8 und 10 ausgebildet. Im Spalt 8 ist eine erste Entladungselektrode 12 und im Spalt 10 eine zweite Entladungselektrode 14 angeordnet. Die erste Entladungselektrode kann nadel-oder zahnförmig und die zweite Entladungselektrode in Form einer Metallplatte ausgebildet sein. Die erste Entladungselektrode 12 ragt dabei nur wenig über den Boden des Spaltes 8 hinaus bzw. füllt nur einen Teil des Spaltes 8 aus. Die zweite Entladungselektrode 14 kann mit der Höhe der Dielektrikumwand 6 abschließen oder, wie in der Fig. 1 beispielhaft dargestellt, darüber hinausragen, worauf mit dem Bezugszeichen 16 hingewiesen ist. An der dem Spaltboden abgewandten Seite kann die Entladungselektrode 14 glatt, nadel-oder zahnförmig ausgebildet sein.
Die Fig. 1 zeigt eine elektrische Parallelschaltung der Entladungselektroden 12 und 14, was gleichzeitig bedeutet, daß auch die einzelnen Plasmakondensatoren 2 elektrisch parallel geschaltet sind. Die elektrische Entladung, auf die mit dem Bezugszeichen 18 hingewiesen ist, findet zwischen den beiden Entladungselektroden 12 und 14 bzw. zwischen den Entladungselektroden 12 und 16 statt. Die Entladungselektroden sind an elektrische Anschlüsse 19 und 21 gelegt.
In der Fig. 2 sind das physikalische Prinzip des Plasmakondensators 2 und die elektrische Entladung 18 in diesem Plasmakondensator genauer dargestellt. Im Spalt 8 der Dielektrikumwände 6 findet eine Trennung der positiv und negativ geladenen Teilchen statt. Zwischen den Entladungselektroden 12 und 14 und durch die Dielektrikumwand 6 besteht ein elektrischer Potentialgradient. Das diesem Potentialgradienten entsprechende elektrische Feld trennt die negativen Teilchen 20 und die positiven Teilchen 22 nach deren Polarität, wobei sich die negativen Teilchen an den Dielektrikumwänden 6 und die positiven Teilchen in der Mitte zwischen diesen Wänden ansammeln. Die positiven Teilchen 22 stapeln sich an der Entladungselektrode 12 übereinander, und zwar über die ganze Länge bzw. Höhe des Spaltes 8. Die getrennten elektrisch geladenen Teilchen verkürzen die Entladungsstrecke zwischen den Entladungselektroden 12 und 14. Für die elektrische Entladung sind dabei zwei Entladungsstrecken 24 und 26 maßgebend.
Die erste Entladungsstrecke 24 (Fig. 2) verläuft von der negativen Entladungselektrode 12 und den positiven Teilchen 12 zur positiven Entladungselektrode 14. Die zweite Entladungsstrecke 26 verläuft von der positiven Elektrode 14 und den an der Dielektrikumwand 6 sitzenden negativen Teilchen 20 zur negativen Elektrode 12. Die negativ geladenen Teilchen 20 repräsentieren sozusagen die eine Plasmakondensatorplatte. Dies ist natürlich nur dann möglich, wenn die positiven Teilchen 22 in der Mitte des Spaltes 8 eine ähnliche Platte bilden. Die zweite Kondensatorplatte wird durch die Entladungselektrode 14 bzw. 16 gebildet, die vorzugsweise eine Metallplatte ist und im Spalt 10 dicht an die Dielektrikumwände anschließend angeordnet ist. Ein derart ausgebildeter Plasmakondensator wird "Semiplasmakondensator" genannt, bei dem eine Platte durch ein Plasma und die zweite Platte durch eine Metallplatte gebildet wird.
Ein sogenannter Vollplasmakondensator 28 mit den Entladungselektroden 30 und 32 ist in der Fig. 3 dargestellt. Die Entladungselektroden 30 und 32 ragen beide nur wenig über den Boden der Spalte 8 hinaus bzw. füllen beide nur einen Teil der Spalte aus. Die Polarität der elektrischen Anschlüsse 19 und 21 zeigt die Polarität der Entladungselektroden 30 und 32. Die Verteilung der geladenen Teilchen im Spalt 8 und an den Dielektrikumwänden 6 ist mit plus 34 und minus 36 gekennzeichnet. Es bilden sich Entladungsstrecken 38 und 40, die durch die gestrichelten Pfeile dargestellt sind. Aus der Fig. 3 ist erkennbar, wie sich die negativen Teilchen 36 mit den positiven Teilchen 34 entladen und wie die positiven und negativen Teilchen die Entladungsstrecke zwischen den Entladungselektroden 30 und 32 verkürzen. Die Fig. 3 zeigt außerdem, daß beide Kondensatorplatten aus Plasma, nämlich den negativ und positiv geladenen Teilchen 34 und 36, gebildet sind. Aus physikalischer Sicht wird ein ambipolares Plasma (zwei gemischte Polaritäten) in der Vorrichtung nach Fig. 3 in ein monopolares Plasma (getrennte Polaritäten) umgewandelt.
Die elektrische Entladung durch das monopolare Plasma bringt den Beweis für die Kollisionen zwischen den geladenen Teilchen Solche Kollisionen verändern die Oberfläche, die die geladenen Teilchen einnehnenBei dieser Oberflächenveränderung wird ein monopolarer elektrischer Impuls erzeugt.
Den Fig. 1, 2 und 3 ist das Prinzip der vorliegenden Erfindung entnehmbar. Die Art der dort gezeigten elektrischen Entladung ist für elektrische Entladungslampen nutzbar.
Eine mögliche technische Ausführungsform unter Verwendung des Entladungsprinzips nach den Fig. 1 bis 3 ist in den Fig. 4 bis 6 dargestellt.
Die Fig. 4 zeigt ein komplettes, walzenförmiges bzw.
zylindrisches radiales Entladungselement 50, wobei radial bedeutet, daß die wirksamen Plasmakondensatorplatten parallel entlang der Achse des Entladungselementes 50 angeordnet sind.
Das Entladungselement 50 besteht aus den elektrisch parallel geschalteten Entladungselektroden 12 und 14 sowie den parallel angeordneten Plasma- und Metal lkondens atorplatten 20 und 14 (vergl. Fig. 2). Das Dielektrikum besteht aus scheibenförmigen Platten 52,und die Entladungselektroden sind Metallplatten und etwa ringförmig ausgebildet, vergl.
Fig. 5.
Die Entladungselektroden bestehen vorzugsweise aus rostfreiem Stahl und sind am Außenumfang glatt oder messerartig ausgebildet oder mit Zähnen 54 oder Nadeln versehen.
In die Spalte 8 und 10 sind die Entladungselektroden 12 und 14 sandwichartig eingepreßt. Die Fig. 4 zeigt, daß die gesamte Anordnung mit Hilfe von Gewindestangen 56, 58 und Muttern 60, 62 zusammengeschraubt ist. Am Ende des Entladungselementes 50 sind entsprechende Endstücke 64 und 66 vorgesehen. Das Endstück 64 besteht aus elektrisch isolierendem Material und ist so geformt, daß es in den Metallsockel einer elektrischen Lampe paßt. Das Endstück 66 besteht ebenfalls aus einem elektrischen Isolator. Die Gewindestangen 56 und 58 dienen gleichzeitig als elektrische Leiter für die Entladungselektrode12 bzw. die Entladungselektrode 14. Die Endstücke 64 und 66 sind so ausgebildet, daß eine elektrische Entladung zwischen den Stangen 56 und 58 verhindert wird.
Die Fig. 5A zeigt die Dielektrikumscheibe 52 in der Ansicht; sie ist mit beabstandeten Bohrungen 68 und 70 für die Metallstangen 56 und 58 versehen. Die Fig. 5B zeigt die ringförmige Entladungselektrode 14, welche mit einer Bohrung 72 versehen ist, in der Ansicht. Die Entladungselektrode kann am Außenumfang glatt 74 oder mit Zähnen 76 versehen sein. Die Fig. 5C zeigt die ringförmige Entladungselektrode 12 ebenfalls in der Ansicht; sie weist eine Bohrung 78 auf.
Im montierten Zustand erstreckt sich die Gewindestange 56 z.B. durch die Bohrungen 68 und 72 der Dielektrikumscheibe 52 und der Entladungselektroden 14 sowie durch den Ringraum 80 der Entladungselektrode 12; die Gewindestange 58 verläuft durch die Bohrungen 70 und 78 der Dielektrikumscheibe 52 und der Entladungselektrode 12 sowie durch den Ringraum 82 der Entladungselektrode 14.
Die Fig. 6A zeigt die Dielektrikumscheibe 52 von der Seite im Schnitt mit den Öffnungen 68 und 70 für die Gewindestangen 56 und 58.
In der Fig. 6B sind die Gewindestangen 56 und 58 mit den zugehörigen Muttern 60 und 62 dargestellt.
Eine besondere Bedeutung kommt der inneren elektrischen Isolierung in dem Entladungselement 50 (Fig. 4) zu. Die Dielektrikumscheibe 52 (Fig. 6A) weist daher einen Ansatz 84 auf, der in den ausgestanzten Ringraum der Entladungselektrode 12 bzw. 14 (Fig. 5B und C) hineinragt und diesen vorzugsweise ausfüllt. Eine zusätzliche Verklebung der Teile könnte ebenfalls vorgenommen werden. Eine bessere Fixierung der Teile relativ zueinander ist durch identische Abflachungen 86 bzw. 88 und 9o erreichbar (vgl. Fig.5).
Die Entladungsstrecke ist durch die Bezugszahl 18 dargestellt (s. Fig. 4). Diese elektrische Entladung 18 findet zwischen den Entladungselektroden 12 und 14 statt. Diese Entladung 18 weist eine um ein Vielfaches größere Elektronendichte auf als die klassische elektrische Entladung bei den Vorrichtungen nach dem Stand der Technik.
Das Entladungselement 50 nach Fig. 4 stellt eine einfach herstellbare und technisch elegante Ausführungsform dar, die ohne weiteres zur Herstellung von elektrischen Entladungslampen eingesetzt werden kann.
Die Fig. 7 zeigt einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform eines Entladungselementes 92. Die Entladungselektroden sind hier Metallstreifen 94 und 96. Die Dielektrikumwände sind ebenfalls Streifen 98. Die Metallstreifen bzw. Metallplatten und Dielektrikumstreifen bzw.
Dielektrikumwände sind im Schnitt konisch ausgebildet.
Die Entladungselektrode 94 hat etwa die Form eines Sägeblattes. Sie ist mit Entladungszähnen versehen. Die Entladungselektrode 96 kann, wie schon erwähnt, ein einfacher Metallstreifen sein, der auch mit Entladungszähneh versehen sein kann. Da die Entladungszähne parallel zur Achse des Entladungselementes angeordnet sind, kann man ein solches Element axiales Entladungselement nennen.
Die Entladungselektroden und Dielektrikumwände sind im Schnitt gesehen strahlenförmig um einen zentralen rohr-oder walzenförmigen Kern 100 aus elektrisch isolierendem Material angeordnet. Die mechanische Befestigung der Entladungselektroden und der Dielektrikumstreifen kann in bekannter Weise erfolgen, z.B. mit Hilfe von Zwischenbefestigungsringen aus elektrisch isolierendem Material oder durch eine spezielle Befestigung von Endkappen oder auch durch Zusammenkleben der Teile des Entladungselementes. Der technische Vorteil dieses axialen Entladungselementes liegt darin, daß die elektrischen Anschlüsse der Entladungselektroden am Ende des Entladungselementes erfolgen können. Weitere innere Anschlüsse wie bei der Ausführungsform nach Fig.4 über die Gewindestangen, sind nicht notwendig.
Die Fig. 8 zeigt ein technisch einfaches Ausführungsbeispiel eines Entladungselementes 11o in einer Seitenansicht. Das Entladungselement weist eine Walze oder ein Rohr 111 als Dielektrikummaterial, wie z.B. Keramik, auf. Dieses Rohr 111 ist an der Oberfläche mit einer spiralförmigen Nut 112 versehen. Parallel zur Nut 112 ist eine zweite Nut 114 ausgebildet. In die Nuten 112 und 114 ist ein dünner Draht 116 bzw. 118 vorzugsweise aus rostfreiem Stahl gelegt, der fest auf dem Boden der Nuten aufliegt. Der elektrische Anschluß erfolgt an einem Ende des Rohres, wie in der Fig. 8 dargestellt, oder kann auch an beiden Enden vorgesehen werden.
Unter der Voraussetzung, daß das Rohr 111 eine große Dielektrizitätskonstante hat, garantiert diese sehr einfache Ausführungsform eines Entladungselementes eine sehr gute Funktion.
Die drei Beispiele einer technischen Ausführung eines Entladungskanales (Fig. 4, 7 und 8) sind nicht die einzigen Ausführungsmöglichkeiten. Es gibt weitere technische Variationen für den Bau solcher Entladungselemente.
Die Entladungslampe, in die die oben beschriebenen Entladungselemente einsetzbar sind, kann die Form der klassischen elektrischen Birne oder der klassischen rohrförmigen Leuchtstofflampe haben. Bei dem in der Fig. 9 gezeigten Beispiel befindet sich ein Entladungselement 130 in einer birnenförmigen Lampe 122 und sitzt im bekannten Metallsockel 120.
Die Entladungselektroden 12 und 14 sind mit dem Sockel in bekannter Weise elektrisch verbunden. Der Glaskolben 132 ist in bekannter Weise hergestellt. Leuchtstoffmaterial 134 ist ebenfalls in bekannter Weise auf der Innenseite des Glaskolbens angebracht. Die elektrische Entladung 18 findet in dem bekannten Quecksilberdampf mit zusätzlichem Edelgas wie Argon o.a. statt. Diese Form der elektrischen Entladungslampe ist bis zu einem Lichtstrom von 4000 Lm ohne weiteres und ohne besondere technische Probleme herstellbar.
Wird für eine Lampe ein größerer Wert als 4000 Lm Lichtstrom benötigt, so ist der bekannte rohrförmige Typ dafür geeignet. Die Fig. 1o zeigt einen klassischen rohrförmigen Glaskolben 128, der auf der Innenseite mit Leuchtstoffmaterial 134 versehen ist. Mit Hilfe der Kontakte 124 und 126 wird die rohrförmige Lampe in die entsprechenden Fassungen eingesetzt. Die Kontakte bilden gleichzeitig Halterungen für das Entladungselement 136.
Die Beispiele nach den Fig. 9 und 1o zeigen, daß die heutige Technik zur Herstellung von elektrischen Entladungslampen durch Benutzung der oben beschriebenen Entladungselemente kaum geändert zu werden braucht. Lediglich die Herstellung des Entladungselementes ist neu und somit auch die Verbindung zwischen dem Entladungselement und dem Glaskolben bzw. der Glasröhre. Alle anderen Herstellungsstufen bleiben unverändert. Das Entladungselement kann in alle bis heute bekannten Entladungslampen eingebaut werden.
Nachfolgend soll die Funktionsweise der Entladungselemente beschrieben werden. Durch die elektrische Entladung bei den vorgehend beschriebenen Entladungselementen werden monopolare elektrostatische Impulse erzeugt. Die Frequenz (in Hz) der elektrostatischen Impulse sowie die Energie (eV) der Impulse sind einstellbar. Dies bedeutet, daß das Entladungselement selbst in neuartiger Weise ein Hochfrequenzgenerator ist. Das physikalische Prinzip, nach dem diese Impulse entstehen, ist derGB-PS 13 94 125 entnehmbar, in der es auch mathematisch definiert ist.
In den Fig. 11 und 12 sind die monopolaren Impulse P oszillografisch dargestellt. Die monopolaren Impulse P überlagern sich. Das Bezugszeichen 140 in den Fig. 11 und 12 gibt die Zeitachse und das Symbol V die Potentialachse an.
Wenn der Plasmakondensator nach den Fig. 2 und 3 an eine Gleichstrom-Spannung angeschlossen wird, zeigt das Symbol VA in der Fig. 11 das Potential zwischen den Elektroden 12 und 14 zw. 30 und 32 an.
Vp nach Fig. 11 zeigt das elektrische Potential der elektrischen Impulse an. Auf der ansteigenden Flanke des elektrischen Impulses P findet eine zusätzliche Oszillation (OS) statt. Mit anderen Worten, die elektrostatischen Impulse P sind nicht gewöhnliche und in der elektrischen Entladung bekannte Impulse. Diese zusätzliche Oszillation bedeutet auch eine zusätzliche Energie der Impulse P. In der Fig. 12 sind die gleichen monopolaren elektrostatischen Impulse P mit der zusätzlichen Oszillation °S dargestellt, wenn der Plasmakondensator an Wechselstrom angeschlossen ist, wie in der Fig. 1 dargestellt ist. Die zusätzliche Oszillation OS hat einen direkten Einfluß auf die Anregung des Quecksilberdampfes der elektrischen Entladungslampe. Durch diese Oszillation 0 wird in dem UV-Spektrum (Quecksilberdampf) ein viel größerer Lichtstrom erzeugt als ohne Oszillation, wodurch die Anregung des Leuchtstoffmaterials größer wird, was wiederum eine größere Lichtabgabe des Leuchtstoffes im sichtbaren Spektrum zur Folge hat. Wie aus den mathematischen Gleichungen in der GB-PS 13 94 125 hervorgeht, sind die Frequenz und das elektrische Potential sowie die Energie der monopolaren Impulse mathematisch berechenbar.
Die monopolaren Impulse werden an der Oberfläche der Dielektrikumwand 6 erzeugt. Die Kollisionen (unelastische und elastische) zwischen Elektronen einerseits und geladenen Teilchen (Ionen und metastabilen Ionen) andererseits sind die Ursache der Impulserzeugung. Wenn die Kollisionen stattfinden, sammeln sich die geladenen Teilchen an der Oberfläche des Dielektrikums an, wobei sich die Fläche, auf der sie sich befinden, verändert. Vor der Kollision ist diese Fläche größer als nach der Kollision. Dies bedeutet, daß sich die Kondensatorfläche verkleinert. Bei dieser Flächenveränderung des Kondensators verändert sich auch die elektrische Spannung V der monopolaren Impulse P nach der folgenden Gleichung worin Vp - die elektrische Spannung des Impulses P, VA - das elektrische Potential im Plasmakondensator, C1 - die Kapazität des Kondensators vor dem Ansammeln der geladenen Teilchen (Ionen) und C2 - die Kapazität des Kondensators nach dem Ansammeln der geladenen Teilchen an der Oberfläche des Elektrikums bedeuten.
C1 und C2 sind in Einheiten in der Größenordnung von picofarad berechnebar.
Der GB-PS 13 94 125 ist ferner die Berechnung der Frequenz der Impulse P und der Energie der Impulse P entnehmbar. Allerdings werden die elektrischen Impulse anders erzeugt als bei der vorliegenden Vorrichtung. Die Energie der Impulse ist so niedrig, daß die Hochfrequenzstrahlung eine vernachlässigbare Reichweite besitzt und weit unterhalb der gesetzlich vorgeschriebenen Grenzen bleibt und damit andere elektrische Verbraucher nicht stört. Schließlich ist die Energie dieser Impulse beliebig einstellbar, was nachfolgend noch beschrieben wird.
Für die Herstellung des Dielektrikums ist Keramik, Porzellan oder Glas geeignet. Plastikmaterial wie Teflon für spezielle Anwendungen ist ebenfalls einsetzbar. Für die Dielektrikumscheibe 52 (Fig. 4, 5 und 6) oder den Dielektrikumstreifen 98 (Fig. 7) oder die Walze 111 (Fig. 8) ist Keramik, welche auf Titanoxide, Bariumoxide, Strontiumoxide, Calciumoxide, Magnesiumoxide oder Bleioxide basiert, am besten geeignet.
Porzellan, speziell mit Zirkoniumoxyden (ZrO2) angereichert,ist auch ein gutes Dielektrikum für die vorliegenden Entladunoselemente.
Glas,wie z.B. Pyrex 1710 oder Pyrex 7052, eignet sich ebenfalls als Dielektrikum für die Entladungselemente.
Die Endstücke 64 und 66 nach Fig. 4 können aus einfacher Keramik bestehen, beispielsweise aus gesintertem Aluminiumoxyd (Al203).
Das Material für die Anfertigung der Elektroden 12, 30, 94, 14, 16, 32, 96 ist vorzugsweise rostfreier Stahl mit folgendem Prozentsatz der nachstehend aufgeführten Elemente: Mangan (Mn) - ca. 2 % Chrom (Cr) - ca. 16-20 % Nickel (Ni) - ca. 10-15 % Molybdän (Mo) - ca. 2- 4 % Für die Gewindestangen 56 und 58 (Fig. 4 und 6) genügt rostfreier Stahl mit niedrigem Gehalt der oben aufgeführten Elemente.
Die Dicke der Dielektrikumscheibe 52 (Fig. 4, 5, 6) bestimmt die Größe der Dielektrizitätskonstanten. Wenn die Dielektrizitätskonstante niedrig sein soll, dann muß die Scheibe 52 dünn sein. Z.B. beträgt die Dicke der Scheibe 52 2-4 mm bei einer Dielektrizitätskonstanten von 3. Bei einer Dielektrizizätskonstante von 80 kann die Dicke der Scheibe 52 zwischen 2 und 40 mm betragen. Der Durchmesser der Dielektrizitätsscheibe 52 wird durch den Zweck und die Anwendung bestimmt. Dieser Durchmesser kann nach Belieben einige Millimeter bis Hunderte von Millimetern betragen.
Die wichtigsten technischen und physikalischen Parameter beim vorliegenden Entladungselement sind die Breite und die Höhe des Spaltes 8, also des Spaltes zwischen den Dielektrikumwänden 6 und die Breite und die Höhe der Nuten 112 und 114 bei der Ausführungsform nach Fig. 8. Die Dimensionen des Spaltes 8 beeinflussen folgende physikalische Parameter: a) die Entladungsspannung zwischen den Entladungselektroden 12 und 14 bzw. 12 und 16, b) die Frequenz (Hz) der monopolaren elektrostatischen Impulse P (Fig. 11, 12), c) die Energie (eV) der elektrostatischen monopolaren Impulse P (Fig. 11, 12), d) den Wirkungsgrad der elektrischen Entladungslampen.
Das Verhältnis zwischen Breite und Höhe des Spaltes 8 wird mit bestimmten physikalischen Gesetzen definiert.
Technisch stehen diese Parameter, die Breite des Spaltes und die Höhe des Spaltes in einem bestimmten Verhältnis zueinander. Dieses Verhältnis (Breite zur Höhe) variiert zwischen 1:7 bis 1:60. Wenn z.B. die Breite 0,2 mm beträgt, so muß die Höhe mindestens 1,4 mm betragen. Diese Parameter (Breite und Höhe) sind technisch einfach zu bestimmen Die Dicke der Entladungselektrode 12 bestimmt die Breite des Spaltes 8. Wenn die Dicke der Entladungselektrode 0,2 mm beträgt (Fig. 4), dann ist auch der Spalt 8 etwa 0,2 mm breit. Die Höhe des Spaltes 8 wird durch den Durchmesser der Dielektrikumwand 6 und den Durchmesser der Entladungselektrode 12 bestimmt. Die effektive Höhe des Spaltes 8 wird im wesentlichen bestimmt durch die Höhenunterschiede zwischen der Dielektrikumwand 6 und der Entladungselektrode 12.
Die Entladunqsspannung zwischen den Entladungselektroden 12 und 14 ist durch die Abmessungen des Spaltes 8 einstellbar. Wenn der Spalt 8 eng und die Höhe größer sein sollen, muß die Entladungsspannung groß sein und umgekehrt. Natürlich beeinflußt auch der Gasdruck die Entladungsspannung. Wenn der Gasdruck beispielsweise 1 nbar beträgt, kann die Entladungsspannung über die Abmessungen des Spaltes 8 zwischen 40 Volt/cm bis 900 Volt/cm für die Entladungsstrecke eingestellt werden. Beträgt der Gasdruck 1 bar, so ist die Entladungsspannung zwischen 9 KV/cm und 60 KV/cm einstellbar. Diese Information gibt dem Hersteller von Entladungslampen die Möglichkeit, bei einem bestimmten Entladungsgasdruck die Abmessungen des Entladungselementes und den Netzspannungsanschluß einander anzupassen.
Die Frequenz (Hz) der monopolaren Impulse ist ebenfalls mit den Abmessunaen des Spaltes 8 einstellbar. Ein größeres Volumen des Spaltes 8 ergibt höhere Frequenzen und umgekehrt.
Die Energie (eV) der Impulse P ist ebenfalls mit dem Volumen dieses Spaltes 8 einstellbar; die Energie ist proportional zum Volumen.
Der Wirkungsgrad der elektrischen Entladungslampe ist direkt proportional zur Frequenz (Hz) der monopolaren Impulse P und der Energie (eV) der monopolaren Impulse. Natürlich ist hier ein Kompromiß notwendig.
Die Energie (eV) der Impulse P darf nur so hoch sein, daß die gesetzlichen Bestimmungen eingehalten werden.
Die nachfolgende Tabelle zeigt zwei Beispiele einer Anwendung des Entladungselementes für Leuchtstofflampen.

TABELLE 1

Gasdruck (Torr) 0,5 1 2 3 4 6 8 10 12 14

Lichtfarbe

Gasdruck (mbar) 0,66 1,33 2,66 3,99 5,33 7,99 10,66 13,33 15,99 18,66

K Lichtausbeute (Lm/w) 154 165 183 195 212 227 235 240 245 247

Lampen- weiss

L nennleistung (w/3.200 Lm) 20,7 19,3 17,4 16,4 14,0 13,6 13,3 13,0 12,9

M Lichtausbeute (Lm/w) 158 171 195 208 220 236 244 245 246 246

Lampen- warmton

N nennleistung (w/3.200 Lm) 20,2 18,7 16,4 15,3 14,5 13,5 13,1 13,0 12,9 13,0

Das in der Fig. 4 dargestellte radiale Entladungselement wurde in einer klassischen Leuchtstofflampe mit einer Nennleistung von 40 Watt getestet. Zwei Leuchtstofflampentypen, weiß und Warmton, wurden bei verschiedenem Argon-Gasdruck getestet. Die Tabelle zeigt den Gasdruck in den zwei oberen Zeilen, und zwar in den Einheiten Torr und Millibar. Die Lichtausbeute ist in der Zeile K für die Lampe 'tWeiß" zwischen 154 Lm/W und 247 Lm/W bei verschiedenem Gasdruck angegeben. Die Lampennennleistung in W/3.200 Lm gemäß Zeile L zeigt, daß anstelle von 40 Watt Eingangsenergie,wie beim Stand der Technik, nur zwischen 20,7 Watt und 12,9 Watt Eingangsenergie benötigt wird.

Die Zeile M zeigt die Lichtausbeute der Warmtonlampe, und die Zeile N wieder die Lampennennleistung in W/3.200 Lm.
Die Werte in der Tabelle lassen erkennen, daß der Wirkungsgrad der Leuchtstofflampen unter Verwendung der oben beschriebenen Entladungselemente zwei- bis dreimal größer ist als bei den besten bis heute bekannten Leuchtstofflampen.
Für die Werte in der Tabelle wurde der Lichtstrom bis 3.200 Lm bei 500 nm und 650 nm des sichtbaren Lichtes gemessen.
Das Energieäquivalent (Wirkungsgrad 1) bei 555 nm Lichtfrequenz ist 673 Lumen/Watt.
Das in den Fig. 4, 7 und 8 dargestellte Entladungselement ist für die chemische Synthese in elektrischer Entladung direkt einsetzbar, z.B. für die Amoniumsynthese (NH3) oder für die Herstellung von Ozon (O3).
In der Fig. 13 ist ein Entladungselement 150 in ein Entladungsrohr 152 eingesetzt, um Ozon herzustellen.
An den Enden des Entladungsrohres 152 sind Abschlußscheiben 154, 156 aus elektrisch isolierendem Material angeordnet. Durch eine Öffnung 158 strömt z.B. Sauerstoff (02) in Richtung des Pfeiles 160 in das Entladungsrohr 152 ein. Durch die elektrische Entladung, die an der Oberfläche des Entladungselementes 150 stattfindet, wird Ozon (03) erzeugt. Das erzeugte Ozon strömt durch eine Öffnung 162 in Richtung des Pfeiles 164 aus dem Entladungsrohr 152 heraus.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Erzeugung von elektrischen Entladungen, insbesondere für elektrische Entladungslampen, bei dem Gleich- oder Wechselspannung an zwei beabstandet zueinander in einem ionisierbaren Medium angeordnete Entladungselektroden angelegt wird und in diesem Medium elektrisch positiv und elektrisch negativ geladene Teilchen erzeugt werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t , daß im Bereich der einen Entladungselektrode, beider Entladungselektroden oder einer Vielzahl von Entladungselektroden die Entladungsstrecke zwischen den Entladungselektroden verkürzende, voneinander getrennte monopolare Säulen oder Schichten aus geladenen Teilchen durch eine elektrische Spannung zwischen den durch ein Dielektrikum getrennten Entladungselektroden gebildet werden, so daß die elektrische Entladung teilweise zwischen den Säulen oder Schichten und benachbarten Säulen oder Schichten bzw.

zwischen einander benachbarten Säulen oder Schichten und Entladungselektroden stattfindet.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit zwei an Gleich- oder Wechselspannung anschließbaren Entladungselektroden, die beabstandet zueinander in einem ionisierbaren Medium angeordnet sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Entladungselektroden (12, 14, 16; 30, 32; 94, 96; 112, 114) derart in einem Dielektrikum (4, 6; 52; 98; 11) voneinander getrennt angeordnet sind, daß wenigstens über einer Entladungselektrode ein Raum zum Aufbau der monopolaren Säulen oder Schichten (20, 22; 34, 36) aus geladenen Teilchen verbleibt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Gesamtentladungsstrecke durch mehrere durch Dielektrika getrennte Entladungselektroden in mehrere Teilentladungsstrecken aufgeteilt ist.
4, Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Entladungselektroden mit Teilen in beabstandet angeordneten Spalten (8, 10) eines dielektrischen Körpers (4) angeordnet sind, wobei die Höhe der in den Spalt ragenden Teile der Entladungselektroden kleiner als die Spalttiefe ist oder die Höhe der in den Spalt ragenden Teile aufeinanderfolgender Entladungselektroden abwechselnd kleiner und gleich der Spalttiefe ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß wenigstens zwei Entladungselektroden (12, 14; 30, 32; 94, 96; 112, 114) mit zwischen den Entladungselektroden angeordneten Dielektrikumteilen (6; 52; 98; 111) ein Entladungselement (2; 50; 92; 110, 130, 136, 150) bilden.
6, Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Entladungselektroden aufeinanderfolgend abwechselnd an unterschiedliche Polaritäten der Versorgungsspannung anschließbar sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die die Entladungselektroden unterschiedlicher Polarität trennenden Dielektrikumteile Dielektrikumscheiben (52) und die Entladungselektroden (12, 14) Metallringscheiben sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Dielektrikumscheiben (52) und Entladungsringelektroden (12, 14) mit Hilfe von wenigstens zwei Stangen (56, 58) mechanisch miteinander verbunden sind, von denen die eine die Entladungselektroden der einen Polarität und die andere die Entladungselektroden der anderen Polarität miteinander verbindet.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Stangen (56, 58) gleichzeitig die Anschlüsse für die Versorgungsspannung bilden.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9 , d a d u r c h ci e -k e n n z e i c h n e t , daß die Stangcn Gewindestangen sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Entladungselektroden wenigstens einer Polarität mit Entladungsspitzen ausgestattet sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Entladungsringelektrode wenigstens einer Polarität auf ihrem Umfang glatt oder schneidenartig ausgebildet oder mit zähnen-oder nadelartigen Erhebungen versehen ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Dielektrikumscheiben (52) wenigstens auf einer Seite einen zur Ringöffnung (80, 82) der Entladungsringelektroden (12, 14) komplementär ausgebildeten Ansatz (84) aufweisen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Ansätze (84) und die Ringöffnungen (80, 82) einander zugeordnete Abflachungen (86, 88, 90) aufweisen.
15, Vorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Entladungselement (92) einen Dielektrikumkern (100) in Form einer Walze oder eines Rohres aufweist, auf der bzw. dem sich in axialer Richtung erstreckende Dielektrika (98) und Entladungselektroden (94, 96) angeordnet sind.
16, Vorrichtung nach Anspruch 15, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Dielektrika und Entladungselektroden axial verlaufende Streifen oder Platten sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Dielektrika und Entladungselektroden gleichmäßig über den Umfang der Walze bzw. des Rohres verteilt angeordnet sind.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Dielektrika und Entladungselektroden bzw. Streifen oder Platten die Walze bzw. das Rohr strahlenförmig umgeben und im Schnitt sich nach außen keilförmig erweiternd ausgebildet sind.
19 , Vorrichtung nach Anspruch 18, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Streifen oder Platten im Schnitt Kreisringsegmente bilden.
20. Vorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Entladungselement (110) eine Dielektrikumwalze oder einen Dielektrikumzylinder (111) aufweist, in dessen Mantel beabstandet zueinander zwei parallele spiralförmig entlang der Walze bzw. dem Zylinder laufende Nuten (112, 114) ausgebildet sind, in denen jeweils ein eine Entladungselektrode bildendes, elektrisch leitendes Material angeordnet ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das elektrisch leitende Material ein Draht ist, von dem der eine an die eine und der andere an die andere Polarität der elektrischen Versorgungsspannung (116, 118) anschließbar ist.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 21, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Entladungselemente endseitig mit dielektrischen End-(64, 66) stücken/versehen sind.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Entladungselement (130) mit einem Ende im Sockelbereich eines Lampen-Glaskolbens (132) befestigt ist und daß die Entladungselektroden (12, 14) in bekannter Weise mit den Kontaktteilen des Metallsockels (120) elektrisch verbunden sind.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Entladungselement (136) beidseitig Anschlüsse (124, 126) für die Entladungselektroden aufweist und mit den Enden einer Lampenröhre (128) mechanisch fest verbunden ist.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Entladungselement mechanisch und elektrisch mit im Mantel der Lampenröhre angeordneten elektrischen Kontakten verbunden ist.
26. Vorrichtung nach Anspruch 5, 24 oder 25, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur chemischen Synthese in elektrischen Entladungen das Entladungselement (150) in einer mit Ein- und Ausströmöffnungen (158, 162) versehenen Röhre (152) angeordnet ist.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 26, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Breite und Höhe des Spaltes (8) für die den Spalt nur teilweise ausfüllenden Entladungselektroden (12, 30, 32) im Verhältnis 1:7 bis 1:60 zueinander qewählt werden.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 27, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß für einen vorgegebenen Gasdruck des ionisierbaren Mediums die Entladungsspannung durch Änderung der Abmessungen des Spaltes (8) einstellbar ist.