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Anordnung zum Betrieb einer wassergekühlten Quecksilberhochdruckentladungslampe
Bei elektrischenHochdruckdampfentladungslampen wird durch das starke, Ansteigen
des Dampfdruck.#s beim Einbrennvorgangerreicht, daß die Lichtbogenbrennspannung
von anfangs etwa i5% bis auf 6o bis 8o% der Netzspannung ansteigt und daher der
stets vorgesehene Vorschaltwiderstand auf denjenigen Wert vermindert werden kann,
der zum Ausgleich der nach allgemeiner Ansicht fallenden Stromspannungscharakte-iristik
erforderlich ist. Beim Betrieb derartiger Hochdruckdampfentladungslampen ist man
dabei ängstlich b#estrebt, auf j eden Fall eine weitere. Annäherung der Lichtbogenbrennspannung
an die Netzspannung durch übermäßige Dampfdruckerhöhung zu verhüten, da dann erfahrungsgemäß
der Betrieb der Lampe unter Flackererscheinungen unstabil wird Lind die Lampe- schon
bei geringen Netzspannungsschwankungen erlischt oder durch schnelles Anwa.chsen
des Entladungsstromes zerstört wird. Dieser notwendige Abstand der Lichtbogenbrennspannung
von der Netzspannung wird bekanntlich in vGrzüglicher Weise durch eIne, solche Dosierung
des meist aus Quecksilber bestehenden dampfentwickelnden Bodenkörpers erreicht,
daß beim Einbrennvorgang der gesamte Bod,#nkörper verdampft und daher die Lampe
im Betrieb. mit überhitzter Dampffüllung brennt. Auf diese Weise wird der Betriebsdampfdruck
auch bei Schwankungen des Lampünstromes oder der Außentempetratur zuverlässig begrenzt
und die notwendige. Sicherung gegen eine allzu starke Annäherung der 5 ZD
Brennspannung
an die Netzspannung gewährleistet. Bei fast allen in die Praxis eingeführtenHochdruckdampfentladungslampen,
die feste Glühelektroden aufweisen und daher die Möglichkeit der erwähnten Dokerung
der Menge des verdampfbaren Bodenkörpers bieten, wird daher von diesem Prinzip G#ebrauch
gemacht. In einem Sonderfall, nämlich bei den meist mit Wasserkühlung verschenen
Kapillarentladungslampen mit sog. Sumpfelektroden, muß dagegen zwangsweiso auf eine
D osierung des Quecksilbervorrats vIxzichtet werden, weil der den Lichtbogenansatz
festlegende Elektrodendrahtstift dieser Lampen eine extrem kräftige Kühlung erfordert
und zu diesem Zweck voneinem stark wärmeableitenden Quecksilbersumpf umgeben sein
muß. Zur Sicherung des Betriebes ffieser Kapillarlampen wird stets ein verhältnismäßig
großer Vorschaltwid#erstand vorgeseh#en.
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Erst in jüngster Zeit wurde erkannt, daß bei ein-er Hochdruckdampfentladungslampe
unter Umständen ein aus entladtingsphysikalischen, Gründen schwach steigender Lichtbogengradient
mit allerdings nur geringem Anstieg erhalten werden kann, wenn nämlich die Lichtbogenleistung
einen bestimmt-en Wert überschreitet. Unter der Voraussetzung einer nicht allzu
stark schwankenden Netzspannung folgt dann die Stabilisierung des Stromels durch
das Verhalten des Lichthogens selbst, so daß solche Hochdruckdampfentladungslampen
auch ohne jeden Vorschaltwiderstand unmittelbar am Netz gebrannt werden könnten.
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Die Erfindung bezweckt, den Anstieg des Z, el Lichtbogengradienten
noch ganz wesentlich zu verstärken, und zwar derart, daß ein unmittelbarer Betrieb
der Lampe. am Netz auch bei sehr großen Spannungsschwankungen von beispielsweise
2o bis 3o% und mehr ohne weiteres möglich ist. Nach der Erfindung wird dies bei
einer Anordnung zum Betrieb einer wassergekühlten Querk-silberhochdruckentladungslampe
mit festen, vorzugsweise aktivierten Glühelektroden, einem 5 Atm. übersteig-enden
Betriebsdampfdruck und einer Gefäßwandbelastung von mehr als' 500 W/CM2 Inneneberfläche
dadurch erreicht, daß ein kleiner, im Betrieb nicht verdampfender Quecksilberüberschuß
in der Lampe vorgesehen und die Lampe unter Fortfall des bisher verwendeten Vorschaltwiderstandes
unmittelbar aus einer solchen Stroniquelle gespeist wird, die ;eine unterbrechungslose
Entladung> etwa eine Gleichstromentladunol Moder eine Wechsielstromentladung. mit
zusätzlicher, die Dunkelpausen überbrückender Hilfsentladung erzeugt.
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Bei einer derart ausgebildeten wassergekühlte#n überdruckdampfentladungslampe
f eIgt jeder, beispielsweise durch Netzspanniingsschwankungen hervorgerufenen
Änderung der Stromistärke und damit der Lichtbogenle#stung derart rasch auch eine
Änderung des Druckes der Dampffüllung durch sofortige Mehrverdampfung oder Kondensation,
daß auch große Netzspannungsschwankuingen durch die sofortige Mitveränderung der
Brennspannung des Lichtbogens. ausgeglichen werden. Man kann dali#er das Verhalten
des in kleinstem Entladun gsraum. untergebrachten Lichtl;ogens einer solchen Lampe
mit dem Verhalten eines Ohmschen Widerstandes vergleichen, der infolge seines positiven
Widerstandstemperaturko#effizienten bei jeder Netzspannungsschwankung sofort einen
erhöhten bzw. verringerten Widerstandswert annimmt. je kleiner die Wärmekapazität
des Lampengefäßes und je
mehr das im Entladungsgefäß vorhandene Quecksilber
dem Lichtboggen angenähert ist, um so, trägheitsloser folgt der Dampfdruck den Änderungen
der Lichtbogenleistung.
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Die hekannten wassergekühlten Kapillarlampen weisen zwar ebenfalls
einen Betrebsdampfdruck von mehr als 5 Atm. und eine Gefäßwandbelastung von
mehr als 5ooW,cm2 Innenob,erfläche bei Vorhandensein elnes Quecksilberüberschusses
auf; aber in allen bekannten Anordnungen zum Betreiben dieser Lampen hat man stets
cinen erheblichen Vorschaltwiderstand vorgesehen. Man hat nicht erkannt, daß der
dort zu einem ganz anderen Zweck, nämlich zur Kühlung der Elektrode vorgesehene
Quecksilherüberschuß, der übrigens die vielfache Menge, des bei der Lampe nach der
Erfindung verwendeten Überschusses beträgt, unter bestimmten Vnraussetzungen zur
Stabilis-,crung des Entladungsstromes herangezogen werden kann, nämlich dann-, wenn
in der Lampe eine tintcrbrechimgs,-lose Entladung aufrechterhalten wird. Man hat
insbesondere nicht erkannt, daß die Größe einer solchen stabilisierenden Wirkung
des Quecksilberüberschusses ein Ausmaß erreklit-, daß auch bei starl,- schwankender
Netzspannun,- auf einen äußeren Vorschaltwiderstand vollständig verzichtet werden
kann.
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Besonders stark ist die -erfindungsgemäße Wirkung ausgeprägt bei solchen
Entladungslampen, bei denen zwei Elektrodenkörper pfropfenartig in die Enden eines
engen, das Lampengefäß bildenden Quarzröhrchens eingesetzt bzw. eingeschmolzen sind.
Der zwischen den Elektroden am mittleren Teil des Quarzröhrchens lagernde Quecksilberbodenkörper
befindet sich dabei in unmittelbarer Berührung mit dem Lichtbegen. Der kräftigen
X_ühlung des Entladungsgefäßes durch Kühlwasser kommt dabei -ine große Bedeutung
zu, weil bei Absinken der Netzspannung möglichst sofort eineDampfdruckerniedrigung
C,
eintreten muß, um zu verhindern, daß, wegen zu hoch gebliebenen
Dampfdruckes und demzufolge zu hoher Bogenbrennspannung die Lampe erlischt. Aus
diesem Grunde empfiehlt es. sich, auch zur Erzielung einer kräftigen Kühlwirkung,
die Wandung des außen von Kühlwasser umspülten Entladungsgefäßes möglichst ge-ZD
ring zu halten.
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Zweckmäßig wird am mittleren Teil des außen von Kühlwasser umspülten
Entladungsgefäßes eine Ausbuchtung vorgesehen, in der sich dann infolge der größeren
Kühlwixkung das Quecksilber bevorzugt ablagert. Der gleiche Zweck läßt sich umgekehrt
errelchen, wenn durch eine ausreichende Wärmellsüherung. der die GlühQlektrodenk6rp!er
einschließenden Wandungsteile zweckmäßig durch einen das. Kühlwasser von diesen
Wandungsteilen fernhaltenden Schutzmantel dafürSorge getragen wird, daß an diesten
Stellen im Betrieb. eine Wandtemperatur auftritt, die höher ist als diejen; am mittleren
der Einwirkunge ZD des Lichtbogens mehr ausgesetzten Teil des Entladung,sgefäß6-§.
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Eine mit der neuen Lampe ausgexüsüete Beleuchtungs..anurdnung wird
nicht nur wegen das Fortfalls des Vorschaltwiderstandes einfacheir'und hilliger,
sondern arbeitet auch infolge der Verwertung der vollen Nietzspahnung mit wesentlich
besserem Wirkungsgrad. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß bei Spannungsänderung
des Netze-s durch die sehr schnelle Mitveränderung des Dampfdruckeis nur verhältnismäßig
geHnge Six#,omänderungen auftreten, jedenfalls wesentlich geringere Stromänderungen
als bei Hochdrucklampen, die in üblicher Weise mit untersättigter Dampffüllung und
mit einem Vorschaltwiderstand arbeiten.
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Mit Vorteil -wird die Quecksilbermengenicht wesentlich größer gewählt,
als notwendig ist, um bei den höchsten im Betrieb auftretenden Netzspannungen noch
gerade -einen Metallüberschuß zu sichern. Es ergibt sich dann die geringste Wärmekapazität
-und Wärmeträgheit des Entladungsgefäßes sowie die gem ringste Lichtabsorptlun.
Auch die Gefahr einer Zerstörung des Lampengefäßes durch einen bei hoher überlastung
entstehenden ungewöhnlich hohen Dampfdruck wird dann vermieden, weil eine dann eintretende
völlige Verdampfung des Quecksilbers einen weiteren Druckanstieg verhindert. Zweckmäßig
beträgt dvshalb der Quecksilberüberschuß weniger als das Dreifache des bei normalem
Betrieb zur Verdampfung kommenden Quecksilbers. Die Quecksilbermenge, die in einex
für den Fachmann leicht übersiehbaren Weise -von dem gewünschten B,etriL-b,sclampfdruck
und von der Lampengröße abhängt, liegt in der Größenanordnung von etwa
0,3 bis 3 MM3. Das Quecksilber kann aucli einen oder mehrere verdampfbare
Zusatzstoffe enthalten, z. B. um die Lichtbogenfarbe oder die Lichtausbeute zu verbessern.
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Auf der Zeichnung smd als Ausführungsbeispiele zwei nach der Erfindung
ausgebildete Anordnungen zum Betrieb von Queckz-Überüberdruckentladungsdampen teilweise#im
Schnitt dargestellt.
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Bei der Anordnung nach Abh. i besteht das Entladungsgefäß i aus einer
kleinen, von Kühlwasser umspülten Quarzglaskugel mit einem Innendurchmesser von
etwa, 9 mm. Das Entladungsgefäß i enthält eineEdelgasfüllung, varzugsweise
eine Neonfüllung mit etwas Argonzusatz und ferner eine zwischen den Elektroden auf
der Gefüßwandung lagernde kleine, etwa i mm3 betragende, Menge Quecksilbjer 2. Die
Quecksilbermenge ist so, bemessen, daß auch bei der größten, im Betrieb auftretenden
Netzspannungnochetwasnicht ver-
dampftes Quecksilber aurf der Entladungsgefäßwandung
verbleibt und demgemäß die Lampe stets im Sattdampfgebiet arbeitet. Die beiden etwa
5 mm voneinander entfernten Elektrozdenkörper 3, 4 sind pfropfenartig
in die Q uarzglaswandungeingebjettet, so daß nur noch ihre kegelförmig gestaltete
Stirnfläche frei liegt. Der in diesem Falle im Betrieh als Anode einer Gleichstromentladung
wirkende Elektrodenkörp er 3 ist etwas größer ausgebildet als der als Kathode
wirkende Elektrodenköxper 4, weil bekanntlich die Wärmeentwicklung an der Anode
dIejenige an der Kathode. übersteigt. Bei Speisung mit Wechselstrom werden gleich
große El#ektliodenk#örper und an sich bekannte, die Wiederzündspannungherabsetzende
Mittel verwendet, vorzugsweisq eine ständig aufrechterhaltene, die Dunkelpausen
überbrückende Hilfsentladung.
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Die StromzuführuDgen5 sind mittels der Molybdänbänder 6 in
die Quarznippel 7
vakuumdicht eingeschmolzen. Das das Entladungsgefäß i einschließende,
mit einem Wassexzuflußstutzen 8 versehene Hüllgefäß 9
enthält einen
Zwischenzylinder io, der einen Wasserkühlungsabflußstutzen i i aufweist. Das Hüllgefäß
9 und der Zwischenzylinder i o sind in dem mit einem Außengewinde versehenen
Metallmantel 12 befestigt. Die Stromzuführung 5 der Kathode 4 ist Ün Innern
de's Zwischenzylinders i o zum Lampensockel. 13 zurückgeführt, der in den
Metallmantel 12 eingesetzt ist. Die von einem Isolierkörper 14 umgebene Stromzufühiung
zur Anode 3 steht mit dem axialen Anschlußstecker 15 in Vexbindung.
Mit 16 ist eine überwurfmutter bezeichnet, die unter Zwischenlegung einer Gummidichtung
17 auf den Metallmantel 12 aufgeschraubt ist. Das Kühlwasser strömt in dem äußeren
Raum zwischen dem- Hüllgefäß 9
und dem Zwischenzylinder i
o zur Kuppe des Hüllgefäßes 9 und von dort im Innern des Zwischenzylinders
io an dem kugelförmigen Entladungsgefäß i vorbei wieder zum Sockel zurück.
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Der Anschlußstecker 15 ist unmittelbar mit dem einen Po1 des
Netzschalters 18 und die Überwurfm-atter 16 unter Zwischenschaltung eines Anlaßwiderstandes
ig mit dem anderen Pol des Netzschalters 18 verbunden. Der Anlaßwiderstand 19
ist durch einen Schalter 20 überbrückt, der nach dem Hochbrennen der Lampe den Anlaßwiderstan#d
kurzschließt -, so daß dann die Lampe unmittelbar an der Netzspannung von etwa 22o
bis 25o Volt liegt. Die Betriebsstromstärke beträgt im vorliegenden Falle etwa
8 Amp. bei einem Betriebs, dampfdruck von etwa 12o Atm. Die von der Lampe
aufgenommeneelektrische Leistung ergibt sich zuetiva i goo Watt und die spezifische
Wandbelastung des kugelförmigen Entladungsgefäßes zu etiva 75o Watt je Quiadratzentime#ter
Innenoberfläche.
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Bei der in Abb. 2 dargestellten Anordnung zum Betrieb einer QuecksÜberüberdruckentladungslampe,
von etwa 5o Atm. Betriebsdampfdruck sind zwei gleich große Elektrodenkörper 21 pfropfenartig
in d:le Endteile ein-es en,--en QuarzrohreS 22 von etwa 4 mm Innendurchmesser eingeschmolzen.
Andiebeiden E-ndteile des Quarzrohres 22, und zwar etwa in Höhe der Elektrodenkörperspit7,en
sind Quarzhülsen 23 angeschmolzen, die den Zweck haben, das Kühlwass.-r von
den die Elektrodenkörper 21 umgebenden Wandungsteilen der Quarzentladungsröhre 22
fernzuhalten, damit an diesen Wandungsteilen erhöhte Betriebstemperaturen auftreten
und das Quecksilber sich möglichst nicht hinter den EI-ektrodenkörpern anlagern
kann. Die Quecksilbermenge ist auch in diesem Fall so reichlich bemessen, daß im
Betrieb der Lampe, nicht alles Quecksilber verdampft. Das KUTZ-schließen des Anlaßwiderstandes
ig nach dem Hochbrennen der Lampe kann von Hand oder auch selbsttätig, z. B. durch
einen Bimetallschalter, erfolgen. Mit Vorteil wird jedoch als Anlaßwiderstand ein
sog. Heißleiter, etwa ein kleines Oxydstäbchen, verwendet, dessen anfang gs großer
, elektrischer Widerstandswert während des Anlaßvorganges der Lampe infolge g seiner
Erwärmung Z, ganz oder fast ganz zusammenbricht. Ein solcher Heißleiterwiderstand
läßt sich ohne Schwierigkeit mit dem Hüllgefäß -der Lampe oder deren Sockel vereinigen.