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Überdruckdampfentladungslampe mit festen Glühelektroden und mit einem
Betriebsdampfdruck von mehr als 20 Atmosphären Die Erfindung bezieht sich auf elektrische
Überdruckdampfentladungslampen mit festen, aus hochschmelzenden Metallen bestehenden
und vorzugsweise zu hoher Elektronenemission aktivierten Glühelektroden, einem aus
Quarzglas bestehenden Entladungsgefäß und mit im Betrieb der Lampe überhitzter Dampffüllung
von mehr als 2o Atmosphären Betriebsdruck. Bei der Durchbildung derartiger Überdruckdampflarnpen,
die in der Regel eine Zündgasgrundfüllung und einen im Betriebe der Lampe verdampfenden
Metallbodenkörper enthalten, besteht die wichtige Aufgabe, das Lampengefäß - und
insbesondere dessen hinter den Elektroden liegende Wandungsteile - so zu formen
und die Glühelektroden so anzuordnen, daß nach erfolgter Zündung der Lampe,die durch
den anfänglich auftretenden Gasentladungsbogen entwickelte Wärme imstande ist, das
Entladungsgefäß an allen Stellen so aufzuheizen, daß eine genügend starke Metalldampfentwicklung
eintritt. Dabei ist zu beachten, daß die Wattaufnahme der Gasentladung wegen des
geringen Füllungsdruckes verhältnismäßig gering ist und erst mit zunehmendem Dampfdruck
und damit zunehmendem Spannungsabfall im Lichtbogen die Leistungsaufnahme des Lichtbogens
auf hohe Werte ansteigt. Für den Fall, .daß auch nur eine Stelle der Gefäßwandung
sich nicht genügend erwärmt, besteht die Gefahr, daß nach erfolgter Zündung der
Metalldampfdruck
nicht genügend ansteigt bzw. nicht genügend rasch .ansteigt, die Lampe also versagt
bzw. vorzeitig zerstört wird, weil ihre Glühelektroden bei zu geringem Füllun:gsdruck
der höheren Anlaufstromstärke nicht standhalten. Des weiteren muß das Lampengefäß
so durchgebildet sein, daß die Temperatur der Wandung über das ganze Lampengefäß
möglichst gleichmäßig ist und eine unzulässig hohe, die Festigkeit des Lampengefäßes
beeinträchtigende Überhitzung einzelner Wandungsteile nicht stattfinden kann.
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Insbesondere bei -den bekannten Überdruckdampflampen mit künstlich
gekühltem kapillarem Entladungsgefäß, die in verschiedener Hinsicht für viele Anwendungszwecke
erheblicheVorteile bieten, bereitet die Erzielung richtiger Temperaturverhältnisse,
besonders in den die Glühelektroden umschließenden Endteilen der Entladungskapillare,
:große Schwierigkeiten, weil in den außerordentlich kleinen Polgefäßen dieser Kapillarlampen,
insbesondere bei hohen Strombelastungen, an den Glühelektroden und den in geringemAbstande
davon angeordneten Kapillarwandungen hohe Wärmestauungen auftreten können. Bei allen
bisher bekanntgew.ordenenKapill arentladung sla.mpen hat man eine zufriedenstellen:de
Temperaturverteilung im Polgefäß unter, Vermeidung schlecht erhitzter Toträume und
unzulässig hoher Temperaturen der Elektroden praktisch nur durch die Verwendung
von sog. Sumpfelektroden erreicht, d. h. die festen Glühelektroden sind so vom Metall
umgeben, daß nur ein ganz kleiner Teil der Elektrode aus .dem sie umgebenden Metallsumpf
herausragt. Bei Verwendung dieser Sumpfelektroden ist also .der gesamte Endraum
hinter dem Ansatzpunkt des Lichtbogens mit Quecksilber angefüllt, das .die Stromzuführung
umgibt. Das Quecksilber bewirkt im Betriebe der Lampe eine hervorragende Kühlung
des Ansatzpunktes ider Entladung .und leitet .durch den allseitig innigen Kontakt
mit der Polgefäßwandu.ng.den Wärmeüberschuß an diese ab, so daß trotz der verhältnismäßig
kleinen, für den Wärmedurchgang durch das Lampengefäß zur Verfügung stehenden Polgefäßoberfläche
dieses vor schädlicher Überhitzung bewahrt.bleibt.
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Die Verwendung von Quecksilbersumpfelektroden, mit denen bisher ausschließlich
alle Kapillarüberdrucklampen ausgerüstet werden mußten, bringt jedoch folgende Nachteile
mit sich: Der im Betriebe stets vorhandene Quecksilberüberschuß macht die Lampe
bzw.deren Dampfdruck und Leistungsaufnahme in hohem Maße von der Temperatur der
Umgebung und Spannungsschwankungen abhängig. Außerdem ist es bekannt, daß sich die
elektrischen Daten solcher Lampen im Laufe des Betriebes sehr erheblich ändern.
Die großen Vorteile der Verwendung einer dosierten, im Betriebe völlig verdampfenden
Quecksilbermenge fallen bei diesen Lampen fort. Außerdem darf .der Durchmesser des
Polgefäßes einige Millimeter nicht überschreiten, weil das Quecksilber durch die
Wirkung der Adhäsionskräfte in den Polgefäßen festgehalten werden muß. Jedoch läßt
sich auch dann vielfach nicht verhindern, daß Quecksilber in die eigentliche Entladungskapillare
gelangt und die Lampe unbrauchbar wird. Diese Gefahr zwingt dazu, die Lampe nur
in bestimmten Brennlagen zu benutzen. Die Lampe ist also nicht frei beweglich.
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Bei der Lampe nach der Erfindung wird ein anderer Weg zur Erzielung
einer ausreichenden Wärmeableitung von der in diesem Falle festen Glühelektrode
und zur Vermeidung.von Kondensationsstellen hinter und seitlich der festen Glühelektrode
eingeschlagen, wobei ebenfalls, wie bei den Lampen mit Sumpfelektroden, zur Ableitung
des Wärmeüberschusses der festen Glühelektroden metallische Wärmeleitung benutzt
wird. Die Erfindung betrifft die eingangs erwähnten Lampen und besteht .darin, daß
die vom Entladungsbogen geheizten festen Glühelektroden auf den Endwänden -des Quarzgefäßes
aufsitzen und vorzugsweise sogar bis auf ihren Vorderteil in die Quarzgefäßendwände
eingebettet sind. Es hat sich gezeigt, -daß diese Maßnahme bei Verwendung von Ouarzglas
und bei richtiger Ausbildung der Glühelektroden eine Gefährdung des Entladungsgefäßes
nicht herbeiführt. Es ist dabei zu beachten, daß man die Temperaturverhältnisse
des Polgefäßes durch Wahl genügend großer Elektroden und geeignete Formgebung derselben,
insbesondere durch Vorsehen einer genügend großen Berührungsoberfläche zwischen
dem rückwärtigen Teil der Elektrode und der Polgefäßwandung,weitgehend beeinflussen
Bann.
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Bei einer nach der Erfindung ausgebildeten Überdrucklampe, bei der
die festen Glühelektroden durch ihre innige Berührung mit der Gefäßwand gekühlt
werden, ergibt sich nunmehr die Möglichkeit, die Quecksilbermenge so zu bemessen,
daß sie bereits während des Einbrennvorganges der Lampe völlig verdampft, also die
Lampe im Betriebe eine mehr oder weniger stark überhitzte Dampffüllung aufweist.
Die Erfindung ermöglicht also zum ersten Aale, überhitzte Überdruckkapillarlampen,insbesondere
solche mit künstlicher Kühlung, zu bauen, bei denen der Durchmesser des Polgefäßes
nichtmehr durch das Erfordernis einer Adhäsionswirkung auf ein verhältnismäßig kleines
Maß beschränkt ist. Es können also nunmehr ohne Schwierigkeit Überdruckkapillarlampen
mit verhältnismäßig
.großem Innendurchmesser von beispielsweise
5 mm ohne Verjüngung :des Polgefäßes hergestellt werden. Solche verhältnismäßig
weiten Kapillarlampen haben neben einer für viele Verwendungszwecke günstigen Verbreiterung
der Leuchtfläche den Vorteil, daß ihre Leistungsaufnahme entsprechend der größeren
Oberfläche des Entladungsgefäßes wesentlich gesteigert werden kann.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ergibt sich eine besonders
einfach ausgebildete und betriebssicher arbeitende Überdruckda,mpfl.ampe, wenn bei
Verwendung einer Entladungskapillarröhre derElektrodendurchmesser der lichten Weite
des Kapillarrohres angepaßt wird, wenn also die festen Glühelektroden den kapillaren
Entladungsraum pfropfenartig abschließen.
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Versuche haben ergeben, daß die Wärmeableitung von der Glühelektrode
nach außen bei nach der Erfindung ausgebildeten Überdrucklampen so hoch ist, daß
bei Verwendung einer Wasserkühlung das Kühlwasser meist von den Polgefäßen durch
besondere Isoliermäntel ferngehalten werden muß. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen,
zu diesem Zweck über die Polgefäße Quarzrohre zu schieben und diese in Nähe der
Elektrodenspitzen an Ringwülste des Entladungsrohres anzuschmelzen. Der Isoliermantel
kann aber auch auf andere Weise, z. B. mechanisch durch Aufpressen oder durch Kittung,
befestigt ,sein. Bei einer solchen Lampe wird also nur der mittlere, zwischen .den
Elektroden liegende Teil der Ouarz.entladungskapillare vom Kühlwasser umspült.
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Auf der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele von nach der Erfindung
ausgebildeten Quecksilberübendruckdampflampen schematisch dargestellt.
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Die Abb. i .bis 3 zeigen in vergrößertem Maßstabe Schnitte durch Polgefäße
der neuen Überdrucklampen; die Abb. q. Abis 7 veranschaulichen in verschiedenen
Stufen die Herstellung einer wassergekühlten Kapillarlampe mit auf den Polgefäßen
aufgesetzten Wärmeschutzmänteln.
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Abb. i zeigt das eine Ende einer Kapillarlampe, bei der in :dem etwas
erweiterten Polgefäß i der Entladungskapillare 2 die feste Glühelektrode 3 untergebracht
und auf der Endwand aufgesetzt ist. Die Glühelektrode 3 besteht aus einem kegelförmig
zugespitzten Wolframhohlkörper q., der am Stromzuführ ungsdraht 5 befestigt - etwa
angeschweißt -ist und im Innern einen Vorrat aus stark elektronenemittierenden Stoffen
6 enthält, die durch Verdampfung oder Diffusion im Betrieb .durch die Öffnungen
7 auf die Elektrodenoberfläche gelangen. Gegebenenfalls wird die Glühelektrode 3,
-wie punktiert angedeutet ist,mehr oder weniger tief in die Endwand eingebettet,
vorzugsweise in diese eingeschmolzen.
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Bei der Lampe der Abb. 2 ist auf die Endwand der nicht erweiterten
Kapillare 2 eine Glühelektrode 3 aufgesetzt, die aus einer Wolframwendel q.' besteht,
welche um den Stromzuführungs,draht 5 unter Zwischenfügung von aktivierenden Stoffen
6 herumgewickelt ist. Wie bei der Lampe nach der Abb. i ist auch in diesem Falle
der Elektrodendurchmesser etwas kleiner als der Durchmesserdes Polgefäßes, also
ein kleiner Ringspalt i zwischen beiden frei gelassen. Dieser Spalt ist jedoch so
klein, .daß die von der Glühelektrode 3 durch Strahlung und Wärmeleitung a'bgege'bene
Wärme imstande ist, die Polgefäßseitenwand auf die erforderliche Temperatur zu bringen,
also einen Niederschlag von Quecksilber in diesem Ringspalt mit Sicherheit zu vermeiden.
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Abb. 3 zeigt eine Lampe, bei der die Glühelektrode 3 die Entladungskapillare
2 pfropfenartig abschließt. Als Glühelektrode dienen zwei um den Stromzuführungsdraht
5 herumgewickelte, mit aktivierenden Stoffen 6 versehene Wolframwendeln q.'. In
.diesem Falle ist jedoch die Glühelektrode 3 bis auf ihre Stirnwand in die Entladungskapillare
2 eingeschmolzen. Um einen besonders :guten, ebenen Anschluß der Glühelektrode an
die Ouarzkapillarwandung zu erreichen, sind die Wendeln 4.' der Glühelektrode 3
in einen aus Wolfram oder Molybdän bestehenden Topf 8 eingesetzt, der mit der durch
Erweichung dicht angelegten Quarzglaswand in inniger Berührung steht. Wegen .des
verhältnismäßig großen Durchmessers und .des größeren Ausdehnungskoeffizienten des
Glühelektrodentopfes 8 besteht,die Möglichkeit, daß nach erfolgter Verschmelzung
des Glühelektrodentopfes 8 mit dem Quarzglas beim Abkühlen der Lampe sich ein feiner
Spalt zwischen beiden bildet, der jedoch im Betrieb der Lampe wieder verschwindet.
Diese Erscheinung ist nicht weiter schädlich, sondern sogar von Vorteil, weil der
bei noch nicht aufgeheizter Glühelektrode vorhandene Spalt die Wärmeableitung von
der Glühelektrode herabsetzt und damit die rasche Aufheizung,der Glühelektrode fördert.
Erst wenn die Glühelektrode wieder ihre haheBetriebstemperatur erreicht hat, legt
sich ihre Umfangsfläche wieder -dicht an die Ouarzglaswandung an. Es wird also erst
nach erfolgter Aufheizung der Glühelektrode, also ,gerade dann, wenn eine starke
Wärmeabgabe zur Vermeidung einer Überhitzung der Glühelektrode erforderlich ist,
die starke Kühlwirkung von selbst eingeschaltet.
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Beim Herstellen der neuen Lampe wird zweckmäßig, wie die Abb. 4 zeigt,
.die Glühelektrode
3 auf einen Quarzstab 9 aufgesetzt, in dem der
vorzugsweise aus einer Mölybdänfolie io bestehende mittlere Teil der Strom-.zuführung
5 dicht eingeschmolzen ist. Darauf werden, wie aus Abb. 5 hervorgeht, in die Entladungskapillare
2 von beiden Seiten her die Glühelektroden 3 eingeschoben. Nach erfolgter Verschmelzung
der Quarzkapillare 2 mit :den Quarzstäben 9 wird der Entladungsraum durch ein zweckmäßig
seitlich neben den Glühelektroden angeordnetes Pumpröhrchen entgast, mit dem Grundgas
und dem passend bemessenen Quecksilber gefüllt und hier- a auf abgeschmolzen. Schließlich
werden die in der Abb. 6 dargestellten Schutzmäntel ii auf die Polgefäße aufgesetzt
und an die Ringwülste 12 angeschmolzen. In Ab'b. 7 ist die fertige, .beispielsweise
für einen Betriebsdruck von 8o Atmosphären gebaute Lampe dargestellt. Bei Unterbringung,derselben
in einer Kühlflüssigkeit -wird dann nur der zwischen den Elektroden liegende Teil
der Entladungskapillare von der Kühlflüssigkeit umspült und stark gekühlt.
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Man hat bereits bei Entladungslampen mit verhältnismäßig großem Entladungsgefäß
und Füllungsdrücken von weniger als i Atmosphäre, deren Entladungssäule eine erhebliche
Länge von etwa io cm besitzt und deren Elektroden nur verhältnismäßig geringe Betriebstemperaturen
annehmen, die Elektroden an der Polgefäßwandung anliegen lassen oder an die Polgefäßendwand
herangerückt, um ein Überschlagen der Entladung auf die Stromzuführungen zu vermeiden
und zu verhindern, daß sich verdampfbares Metall hinter den Elektroden ansammelt.
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Bei diesen bekannten Lampen anderer Art treten jedoch nicht die Schwierigkeiten
auf, die beiden Dampfentladungslampen .mit mehr als 2o Atmosphären Betriebsdruck
durch die kleinen Abmessungen des Entladungsgefäßes und die Zusammendrängung der
gesamten Lichtbogenleistung von meist nur wenigen Millimetern in unmittelbarer Nähe
der sich hoch aufheizenden Glühelektroden bedingt sind. Insbesondere liegt dort
nicht die Aufg U
äbe vor, eine kräftige Kühlwirkung auf eine kleine, übermäßiger
Wärmezufuhr ausgesetzte Glühelektrode zu erzielen. Auch fehlte bisher die Erkenntnis,
daß dieser Zweck durch eine innige Verbindung des kleinen hocherhitzten Glühelektrodenkörpers
mit dem Quarzglas ohne Gefährdung des Überdrucklampengefäßes erreicht werden kann.