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Lichtbogenentladungsvorrichtung
| Die Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf |
| Vorrichtungen mit elektrischen Bogenentladungen, |
| wie Bogenl@iinl>en, Gleichrichter u. dgl., die mit einer |
| zu einem Lichtbogen -erdichteten Entladung im |
| Gegensatz zu einer unter vermindertem Druck ver- |
| laufeiiden difiusen oder Glimmentliadung arbeiten. |
| Die Erfiirdung betrifft insbesondere eine verbesserte |
| 13ogenlanipe, in welcher das aktive Kathoden- |
| material im wesentlichen aus Zirkonium und/oder |
| flafnium uiid/ocfer deren Verbindungen besteht, die |
| sich besonders für den Betrieb in freier Luft eignet. |
| In l3ogenentladungs@-orrichtungen nach einem |
| früheren \-orsclilage der Erfinderin konnte die |
| Anode atis einem geeigneten Stoff, und zwar Metall |
| oder Legierung bestehen, der die auf ihm entwickelte |
| Wärme zerstreuen kann, ohne so heiß zu werden, |
| d416 er verdampft oder irgendeine beträchtliche |
Strahlung infolge seiner eigenen Glut aussende; Wolfram, Tantal und Molybdän wurden
wegen ihrer hohen Schmelzpunkte benutzt, vorzugsweise Molybdän. Die Kathode einer
solchen Lampe besitzt gewöhnlich einen Träger für das aktive Kathodenmaterial in
Form eines Drahtes oder Röhrrchens aus einem metallischen Stoff hohen Schmelzpunktes
und guter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, z. B. Tantal, Wolfram, Molybdän
u. dgl. Ein Ende des Trägeres enthält das aktive Kathodenmnaterial, das zwei aneinanderliegende
Schichten aufweist, die untere Schicht besteht aus einer Metallverbindung, die einen
weit höher gelegenen Schmelzpunkt hat als ihr Metallbestandteil. Dieses Mietall
sendket bei seiner sehr hohen Arbeitstemperatur in der Vorrichtung reichlich Elektronen
aus, bei tieferen Temperaturen aber zu wenig Elektronen, um einen
Lichtbogen
hoher Stromdichte unterhalten zu können; dies wird erst möglich, wenn das Metall
Glühtemperaturen erreicht, die hinreichend über <lein Schmelzpunkt des in der
Verbindung enthaltenen Metalls liegen. Als diese metallische Ver-1>indungwurden
vorzugsweise Zirkoniumoxyd oder Hafnitunoxyd verwendet.
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Bei Verwendung von beispielsweise Zirkonoxyd wurde (las Oxydpulver
gewöhnlich in eine Höhlung des Kathodenkörpers gefüllt, das Ganze in eine Gl'astimhüllun.g
gesetzt, die zugleich als Lampenglas (Bienen konnte, diese Umhüllung ausgepumpt
und die Umhüllung und die Elektrodenanordnung zum "Zwecke der Entgasung erhitzt;
danach wurde die Umhüllung mit einem Gas, vorzugsweise Argon, gefüllt, das das Elektrodenmaterial
nicht angreift, und die Kathode formiert durch Zünden eines Bogens zwisch,-n der
Anode und dem Oxyd, um diie Temperatur auf der Oberfläche des Oxyds auf etwa 3000°
C zii erhöhen. Das geschmolzene Oxyd floß über die Oberfläche, verband sich mit
der inneren Seite des Metallkörpers und bildete so eine glatte, glasige Oberfläche
auf dem Ende des Kathodenmaterials.
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In geschmolzenem Zustand und unter dem starken Ionenbest@buß in dem
Bogen wurde etwas Zirkonoxyd' reduziert oder zu metallischem Zirkonium zersetzt;
es bildete eine sehr dünne geschmolzene Schicht dieses Metalls über der Kathodenoberfläche.
Metallisches Zirkonium hat eine bessere Elektroneneniission bei hohen Temperaturen
als das Oxyd', und es hat auch einen tieferen Schmelzpunkt; infolgedessen sinkt,
sobald die dünne Oberflächenschicht aus metallischem Zirkonium gebildet ist, die
Temperatur der Kathode ein wenig, die darunterlegende Oxydschicht wird fest und
trägt die dünne Schicht geschmolzenen Metalls auf ihrer Oberfläche. Diese dünne
Schicht geschmolzenen Metalls ist die Hauptduelle der sichtbaren Strahlung derLampe.
Diese bei der Herstellung gebildete Schicht muß beim jedesnialigen Wiederzünden
der Lampe erneut erhii@tzt und glühend gemacht werden. Sie ,ist so dünn, daß die
Oberflächenspannung sie auf der Oxydunterlage festhält, so daß die Lampe in jeder
Lage gebrannt werden kann.
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Soweit es möglich ist, die Dicke der aktiven Oberflächenschicht zu
bestimmen, ist bekannt, daß sie von (fier Größenordnung einiger Moleküle ist, wenn
sie zum ersten Male gebildet wird; und wenn es gelingt, diese Schicht auch im Betrieb
sehr dünn zu halten, bildet sie eine viel wirksamere Lichtquelle, weil die Lichtleistung
pro Watt sehr viel größer (ist. In der bisherigen Bauweise wurde bei der Reduktion
des Zirkon- oder Hafniumoxyds an der Oberfläche Sauerstoff frei, und ein wesentlicher
Teil des frei werdenden Sauerstoffes verband sich mit dem Molybdän, Tantal, Wolfram
oder anderen oxydierharen Stoffen der Anoden- und Kathod,engebil-d@. Da (las Metall
dieser Elektroden den an der Oberfläche der Kathode frei werdenden Sauerstoff aufnahm,
setzte sich die Reduktion des darunterliegenden Oxyds durch die Oxydschicht hindurch
fort, wenn die Lampe benutzt wurde, und bildete eine zunehmend dicker werdende Schicht
oder Kappe aus dem Grundmetall. Infolge der dickeren Metatlschcht wurde der Wärmeisolierwert
des daruntenliegefden Gebil&s herabgesetzt, und die Metallschicht ergab eine
größere seitliche Wärmeleitfähigkeit in Richtung auf die Seitenwand' des Kathodenröhrchens,
so daß bei gleicher zugeführter Wattleistung die Fläche des hocherhitzten, leuchtenden
Fleckes auf der Oberfläc'he kleiner wurde.
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In einer Ausführungsform des früheren Vorschlages der Erfinderin wurde
ein Gleichgewichtszustand zwischen der darunterliegenden Oxydschicht und der Oberflächenschicht
im wesentlichen dadurch aufrechterhalten, daß der an der Oberfläche frei werdende
Sauerstoff nicht entzogen oder daß Sauerstoff aus einer anderen Quelle, z. B. der
umgebenden Luft, bereitgestellt wurde, um sich mit dem metallischen Zirkonium oder
Hafnium auf der Oberfläche zu verbinden und damit die fortschreitende Reduktion
des darunterliegenden Oxyds zu verhindern. Die umkehrbare Reaktion zwischen dem
Metall und dem freien Sauerstoff gestattete auf diese Weise im wesentlichen ein
Gleichgewicht zu halten zwischen der Reduktion des unter der Oberfläche liegenden
Oxyds und der Oxydation dies Metalls auf der Oberfläche, so daß die dünne Schicht
sehr heißen Zirkoniums oder Hafniums nicht ständig an Dicke zunahm und das darunterliegende
Oxyd reduzierte. Dieses Sauerstoffgleichgewicht wurde durch die Sicherstellung einer
ständigen freien Sauerstoffmenge an der Kathodenoberfläche aufrechterhalten, die
sich mit jenen freien Zi!rkonium-oder Hafniumatomen verbinden kann, die genügend
Energie aufgenommen haben, um die Kathod'enober-
| fläche zu verlassen, und sich daher in dem Lichtbo»- |
| in unmittelbarer Nähe der Kathod'enoberfläefi- |
| e- |
| finden, und die sich auch mit der lioehet |
| dünnen Metallschicht auf der aktiven OberWche |
| verbinden kann; letzteres wird dadurch etieiatitert, |
| daß die Anode und der Kathodenkörper äftrs einem |
| Metall oder einer Legierung hergestellt sin,,',dß@e bei |
| der Betriebstemperatur der Lampe keine westre' |
| Neigung zu fortschreitender Oxydation zeigei@"J' a'"" |
| durch wird es möglich, die Bogenlampe in frei"`° |
Luft zu brennen, weil in der Luft genügend Sauerstoff vorhanden ist, der sich mi;t
den freien Atomen und der aktiven Oberflächenschicht dies Metalls verbinden kann,
denn das hocherhitzte Zirkonium bzw. Hafnium haben eine hohe chemische Affinität
zu dem Sauerstoff.
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Z:irkonoxyd oder Hafniumoxyd wurde vorzugsweise als Füllstoff für
die Kathodengebilde in der Lichtbogenvorrichtung benutzt. Diese Oxyde sind aber
Elektrizitäts.lei:ter erst bei Erhitzung zu dunkler Rotglut oder höherer Temperatur.
Daher war es oft schwierig, einen Bogen zwischen derartigen Elektroden zu zünden,
solange sie kalt waren, selbst wenn zur Zündung ein von einem Vakuumschalter und
einer Drossel gelieferter Hochspannungsstoß verwendet wurde. Bei dieser Verwendung
von Oxyd in den Elektroden mußte der Bogen gewöhn1ich zuerst an den äußeren Metällröhrchen
gezündet werden, damit die Hitze dieses Bogens dann das Oxyd auf eine Temperatur
brachte, bei der e@ leitend
| ward;, so da13 der Bogen dann auf die Oxydober- |
| Häch(@ übei-geli(#ii konlite. 1?s wurde versucht, dem |
| Oxyd aridere Stotte beizufügen, um es ini kalten |
| Zustand so leitf:iliig zu machen, daß der Bogen beim |
| 1?insrlialtcn der Lanilic unmittelbar an (Ie@ni Oxyd |
| gezündet werden l:minte, tind es wurden zahlreiche |
| Stoffe, tvie Kolile, harborund und andere ellektrisch |
| leitende Sti)tre, die liolie Temperaturen aushalten, |
| nfit der Oxvdfitlltilrg gemischt, um zu versuchen, sie |
| in kaltem Zustand leinreichend leitfähig zu machen. |
| f )fiese Stotte ])rannten aber entweder rasch aus der |
| \lischting Merans oder vergifteten das Oxyd so, daß |
| es (]eil normalen Lichtbogen nicht mehr unterhielt. |
| 1,-in,- andere Schwierigkeit bei der Verwendung des |
| Oxyds als Füllstoff war die unzureichende Bindung |
| zwischen diesem und dem iitißeren Röhrchen; es kam |
| ini Betrieb gelegentlich vor, daß die geschmolzene |
| ()xy(lperle, die sich am Fn(Ie der 1?lektrode gebildet |
| Hatte, \viileren(1 des Brennens des Bogens abfiel. |
| Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist |
| ein Lichtbogeligerüt der beschriebenen Art mit einer |
| 1?lektro<lenliau weise, bei der die aufgezählten un- |
| erwünschten Erscheinungen vermieden werden, und |
| bei der (las Geriet besonders zum Betrieb in freier |
| Luft getigliet ist. |
| Ein weiterer l?rfindungsgegenstand' ist ein Licht- |
| 1)ogcliger:it der beschriebenen Art, bei' dem eine |
| äußerst dünne aktive Schicht emittierenden Stoffes |
| auf der aktiven Kathodenoberfläche während langer |
| Betriebszeit der Lainpe aufrechterhalten wird, wo |
| also finit einer fortschreitenden Reduktion der Oxyd- |
| fiillung nicht länger gerechnet werden muß. |
| Ein weiterer Erfindungsgegenstand ist ein Licht- |
| bogengerät, das in der freien Luft betrieben werden |
| kann und äußerste Helligkeit nicht nur am Anfang |
| der Lebensdauer, sondern während der ganzen |
| Lebensdauer der Lampe aufweist. |
| Ein weiterer Erfindungsgegenstand ist ein Ver- |
| fahren, dein Füllstoa der Elektrode von Anfang an |
| von (lein Grundnietal'1 zuzusetzen, das die dünne |
| aktive Oberflächenschicht bildet, und bei dem die |
| ahtive0l).erflächeiiscliicht trotzdem von einer dünnen |
| darunterliegen(len Oxydschicht des Metalls getragen |
| wird, und bei (lern eine fortschreitende Oxydation |
| des Grundmetalls unter der Oxydscliiclit |
| oder verringert ist. |
| Ein wciterer Erfindungsgegenstand ist die An- |
| bringung geeigneter -Mittel zur selbsttätigen Rege- |
| lung und Aufrechterhaltung einer bestimmten Lage |
| (res Bogens zwischen den Elektroden. |
| Ein weiterer Erfindungsgegenstand ist eine ver- |
| besserte Vorrichtung zur selbsttätigen Wahl und |
| Aufrechterhaltung eines geeigneten Abstandes |
| zwischen den einander zugekehrten Endren der Elek- |
| troden des l.iclitliogetigerätes. |
| \\'cit:re 1?rtin(lungsgegetistände und Vorteile der |
| 1?rtincluiig gele-ii aus der folgenden genauen |
| Beschreibung einzelner charakteristischer Atts- |
| führungsformeil 1;:rvor, die durch folgende Zeicb- |
| nungen erläutert werden: |
| Gig. i ist eine Seitenansicht einer Hochbelastbaren |
| Wechsclstromb ogenlamlr:, die in freier Luft be- |
| trichen werden kann und die Erfindungsmerkmale |
| aufweist; die Anordnung enthält zwei Elektroden, |
| die sich auf einer gemeinsamen waagerechten Achse |
| gegenüberstehen und Vorrichtungen besitzen, die sie |
| uni diese Achse drehen, sowie Vorrichtungen, die |
| selbsttätig den richteigen Abstand zwischen beiden |
| während (res Betriebes aufrechterihalten. |
| Fig. 2 ist eine Seitenansicht einer Hochleistungs- |
| freiluftbogenlarnpe, deren Elektroden ungefähr |
| rechtwinklig zueinander stehen und die geeignete |
| niagn-tisclie Vorrichtungen für die selbsttätige |
| lzegclung der Lage des Lichtbogens und Vorrich- |
| tungen zur selbsttätigen Einstellung der Elektroden |
| auf richtigen Abstand besitzt. |
| Fig. 3 ist eine Tei'liansicht der magnetischen Vor- |
| richtung zur Regelung der Lage des Lichtbogens, |
| von der Schnittlinie 3-3 der Fig. 2 gesehen. |
| Fig..I zeigt bestimmte Einzefheiten des Elek- |
| trodenaufbaues und die Einrichtungen 'zur erleich- |
| terten Heraustrahme der Elektroden aus ihren |
| Fassungen. |
| Fig. 5 ist eine vergrößerte Teilansicht des Elek- |
| trodengebildes, die die aktive Oberflächenschicht |
| und ihre Verbindung mit dem Ende der metallischen |
| Kathodenfassuirg zeigt. |
| Fig. 6 ist ein Längsschnitt der Elektrode gemäß |
| Fig. S, der den inneren Aufbau erkennen läSt. |
| Fig. 7 zeigt einen elektrischen Stromkreis zum |
| Betrieb einer Wechselstrom'lampe mit den Vorrich- |
| tungen zur selbsttätigen Regierung der Lage des |
| Lichtbogens. |
| Fig. 8 zeigt einen Stromkreis zum Betrieb einer |
| Wechselstromlampe mit Vorrichtungen zur selbst- |
| tätigen Aufrechterhaltung des richtigen Abstandes |
| zwischen den Elektrodirn zusätzlich zu den Vorrieb |
| tungen zur selbsttätigen Regelung der Lage dies |
| Lichtbogens. |
| Fig. 9 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform |
| der Vorrichtung zur Regelung der Lage dies Licht- |
| bogens bei Wechselstromlampen sowie eine hrand- |
| betrielone Einrichtung zur Einstellung des nichtigen |
| Elektrodenabstan:des. |
| Fig. io zeigt einen elektrischen Stromkreis zur |
| Regelung der Lage des Bogens nach die) @in Fig. 9 |
| gezeigten Art, sowie einen abgeänderten Einschalt- |
| und Betriet)sstromkreis für die Lampe. |
| Fig. i i zeigt einen Stromkreis für selbsttätige |
| Regelung der Lage des Lichtbogens in einer Gleich- |
| stromlampe, welche die Erfindungsmerkmale auf- |
| weist, sowie den Einschult- und den Betriebsstrom- |
| kreis dieser Lampe. |
| Fig. i der Zeichnungen zeigt eine für Hoch |
| Leistungslampen, wie Flutlichtl'ampen, Scheinwerfer |
| u. dgl. geeignete Bauweise, die in freier Luft brennet |
| und aus einer Wechselstromquelle gespeist wird. Die |
| Lampe ,enthält zwei Elektroden 12, die von gleicher |
| Bauweise .sein können und abwechselnd als Anode |
| und Kathode während jedes Wechsels des Wechsel- |
| stroms arbeiten, die) die übliche Spannung und |
| Frequenz haben kann. In der vorliegenden Aus- |
| führungsform sind die Elektrodirn auf einer gemein- |
| samen waagerechten Achse einander giegenüber an- |
| geordn:t. pede der Elektroden 12 besteht aus einer |
| ini allgeinein°n zylindrischen 1\hetallröhre oder |
Hülse 14, die gemäß Fig. ¢ an einem Ende geschlossen und mit dem
Elektrodenmaterial 15 gefüllt ist, wobei die dünne aktive Oberflächenschicht des
Elektrodenmaterials am offenen Ende der Röhre bei 16 angedeutet ist. Die Hülse 14
kann einen kegelförmigen oder verjüngten Ansatz i4° haben, der von einer konischen
Bohrung des metallischen Elektrodenhalters 18 mit festem Sitz aufgenommen wird.
Ein Querschlitz i9 im Körper des Elektrodenhaliters gestattet, mit einem keilförnnigen
Werkzeug w die Elektrode aus dem Halter zu entfernen, wenn eine neue Elektrode eingesetzt
werden soll oder ruß. Jede Elektrode kann die hier beschriebene Länge haben, z.
B. mehrere Zoll bei großen Lampen, um beim Abbrennen des aktiven Endes der Elektrode
nachgeschoben werden zu können, weil diese unter der Wirkung des Hochleistungsbogens
langsam abbrennt. ' Fig. 5 und 6 sind stark vergrößerte Teilansichten einer der
Elektroden 12. Die Elektrode besteht aus einem röhrenförmigen Metallkörper 14, der
im Innern den Keim 15 aus Kathodenmaterial enthält. Bei den ersten Versuchselektroden
dieser Art wurde für den Körper 14 Platin verwendet, weil es Rotglut in freier Luft
ertragen kann, ohne zu verbrennen. Platin ist jedoch für den täglichen Gebrauch
zu teuer, und so wurde eine Vielzahl anderer Metalle als Ersatz erprobt, darunter
rostfreier Stahl und viele andere Legierungen, die im wesentlichen keine Neigung
zu fortschreibender Oxydation zeigen. Platin, Palladium und Nickel erwiesen sich
günstig, und aus dieser Gruppe hat sich Nickel als dies praktischste gezeigt, weil
es wenig kostet und leicht verarbeitbar ist. Wenn Nickel bei hohen Temperaturen
Sauerstoff ausgesetzt ist, so oxydiert es sehr langsam, und die erste dünne Oxydschicht
auf seiner Oberfläche wirkt als ein Schutzüberzug, der eine weitere Oxydation verzögert.
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Als Füllstoff wurde zunähst Zirkonmetal'lpulver in die Nickelröhre
unter starkem Druck eingepreßt und dann bei, heller Rotglut in einer Argon- oder
Stickstoffatmosphäre gesintert. Es wurde erwartet, d aß der feste Kern aus Zirkonmetall
nach diesem Herstellungsverfahren so dicht mit der Nickel-röhre verbunden sein würde,
daß beim Betrieb der Lampe nur das freie Ende des Zirkoniums oxydieren würde und
daß, wenn die Oxydschichtkappe dünn genug sein würde, der Zündfunkedurch sie auf
das darunterliegende Zirkonmetall übergehen würde zwecks leichter Zündung der Lampe.
Beim erstenmal zündeten diesle Elektroden leicht, aber nach einigen Brennstunden
hätte sich das ganze Ziirkoniummetall allmählich in Oxyd verwandelt, und die Elektroden
waren nicht besser als gleichartige, die von vornherein mit Oxyd gefüllt waren.
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Es ist festgestellt worden, daß bei Mischung des Zirkonmetallpulvers
mit einem Stoff, der mixt Ausnahme des aktiven Endes des Zirkoniumkerns alles vor
Oxydation schützt, die fortschreitende Oxydation des Zirkonmetalls unter der Oxydschicht
verhindert werden kann. Pulverisiertes Nickel im Verhältnis von ungefähr einem Teil
Nickel auf drei Teile Zirkonmetallpulver erwies sich als eine Mischung, die nicht
durch ihr ganzes Innere hindurch fortschreitend oxydiert, wie es das reine Zirkonium
tat. Auf diesen Elektroden bildet sich eine nur dünne Kappe aus Zirkoniumoxyd 17,
Fig.6, am aktiven Ende, und die darunterliegende leitende Nickel-Zirkonium-Mischung
15 erleichtert die Zündung der Lampen. Die Zirkoniumoxydkappen verbinden sich gut
sowohl mit der Nickelröhre 14 als der darunberliegenden Metallmischung, die Elektroden
mit der Ziirkonium-Nickel-Mischung zünden leicht, brenmen gut und haben gut bindende
Kappen. Das Zirkoniumpulver ist durch ein 325-Maschen-Sieb gesichtet, um zu gewährleisten,
daß nur sehr feine Pulverteilchen in derFüllung 15 enthalten sind, deren Durchmesser
nicht größer als 5o Mikron und im allgemeinen viel kleiner, bis herunter zu wenigen
Mikron, ist. Auch das Nickelpulver wurde sehr fein gemahlen, vorzugsweise feiner
oder ebenso fein wie des Zirkoniumpwlver. Weiter wurde gefunden, daß eine noch bessere
Elektrode hergestellt werden mann durch Zugabe eines geringen Prozentsatzes eines
metallischen Stoffes, wie eines Oxydes, das die hohen Temperaturen @in Gegenwart
von Sauerstoff ohne Veränderung ertragen kann, im kalten Zustand leitend ist und
weder die Zirkonium-Nickel-M.ischung vergiftet noch den Betrieb der Lampe nachteilig
beeinflußt. Magnetit, ein Eisenoxyd der Zusammensetzung Fe90q, ist besonders geeignet
und wird der Zirkonium-Nickel-Mischung i5 beigefügt. Magnetit ist auch im kalten
Zustand ein. Leiter der Elektrizität und kann als Oxyd hohe Temperaturen ertragen.
Offenbar erhöht es die elektrische Leitfähigkeit durch die geschmolzene Oxydkappe
17 hindurch bei kalter Elektrode und begünstigt daher das Zünden. Die Mischung wixd,
nachdem sie in die Röhre 14 unter beträchtlichem Druck eingepreßt.ist, vorzugsweise
in einer Argon-oder Stickstoffatmosphäregesintert; das Sintern isst nicht unbedingt
erforderlich, aber es verbessert die Bindung zwischen der Masse 15 und der Röhre
14 und erhöht damit die Schutzwirkung dies Nickels.
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Eine Elektrode mit einer Füllung aus ungefähr 87% Zirkonium, ungefähr
9% Nickel und 4o/9 Magnetit, die mit einer Viertonn@enpresse in die Nickelröhrchen
gedrückt ist, gibt hervorragende Ergebnisse. Die Elektroden «-:erden in einer Stickstoffatmosphäre
durch Beschuß auf eine Temperatur von etwa iooo° C erhitzt, wo eine Reaktion in
dein Füllungsstoff stattfindet, die sich durch ein plötzliches Gliihen der Mischung
anzeigt. Das Erhitzen und Sintern erfordert etwa drei Minuten; danach ist der Kern
sehr 'hart und die Elektrode gebrauchsfertig.
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Das genaue Mischungsverhältnis der Metalle und des Oxyds für die Füllung
scheint nicht kritisch zu sein. Wenn jethoch mehr als 40% Nickel in der Mischung
verwendet wird!, tritt starke Rauchentwicklung auf, und die Elektrode brennt schneller
ab; bei weniger als
50/0 Nickel tritt die Schutzwirkung des. Niickel's nicht
mehr ein. Von dem leitfähigen Stoff, z. B. Magnetit, können 2 bis 150% vlerwerndet
werden, bei mehr als 15 % wi!rd de Leuchtkraft der Lampe beeinträchtigt und der
Abbnand
| verstärkt, frei weniger als 2% Magnetitzusatz wird |
| es schwer, die Lampe zu zünden. Mit letzterem Zu- |
| satz wird die am Ende der Elektrode gebildete Perle |
| bräunlich, sonst ist sie im allgemeinen grau, obgleich |
| sie manchmal einen goldenen Schimmer hat, der |
| vielleicht auf die Anwesenheit von Zirkoniumnitrit |
| in der Oberflächenschicht zurückzuführen ist. |
| Die Tatsache, daß Nickelpulver oder andere |
| -Xletallpulver mit ähnlichen Eigenschaften gemäß |
| der vorliegenden Erfindung die fortschreitende |
| Oxydation des _Nletallpulvers unter der Oxydsdhicht |
| 17 im wesentlichen verhindern, hat sich praktisch |
| herausgestellt, wenn auch die genauen Vorgänge |
| schwierig festzustellen sind. Dies ist eine grund- |
| sätzlich-e Schwierigkeit, weil die Teilchen in der |
| Mischung 15 so fein sind, daß Längsschnitte der |
| Elektroden selbst unter einem starken Mikroskop |
| die Veränderungen nicht deutlich erkennen lassen. |
| Es könnte sein, daß die Nickelteilchen bei der |
| Sinitertemperatur schmelzen, uni die winzigen |
| Zirkoniumteilchen herumfließen und dadurch eine |
| Schutzschicht bilden, welche die Oxydation des |
| Zirkoniums verhindert. Wenn andererseits die |
| Sinterung bei der Herstellung der Elektrode unter- |
| lassen wird, wird auch nur wenig fortschreitende |
| Oxydation des Zirkoniums in Mustern beobachtet, |
| die stundenlang in der Lampe gebrannt worden sind; |
| jedoch ist es möglich, daß beim Betrieb der Lampe |
| die innerhalb der Elektrode entwickelte Hitze aus- |
| reichend war, um das Nickel zu schmelzen und eine |
| sehr dünne Schutzschicht um jedes Ziirkonium- |
| teilchrAi Herum zu bilden, wenigstens inderNachbar- |
| schaft der Oberflächenschichten 16 und 17. Einige |
| der unter dem Mikroskop geprüften Muster wiesen |
| Teile auf, in denen anscheinend die Nickelteilchen |
| die Zirkoniumteilchen voneinander trennten und auf |
| diese Weise den Übergang von Sauerstoff von einem |
| Zirkoniumteilchen zum nächsten verhindern und |
| damit die fortschre-itendle Oxydation unterbinden. |
| ES kann auch sein, d@aß eine Legierungsbildung statt- |
| findet zwischen dem Nickel und dem Zirkonium, die |
| die fortschreitende Oxydation hindert. |
| Es ist klar, daß beim langsamen Abbrennen der |
| Elektrode während des Betriebes der Lampe jener |
| "feil des Zirkoniums, der dem Bogen ausgesetzt ist, |
| oxydiert und damit die Oxydschicht 17 aufrecht- |
| erhält, jedoch findet eine weitere Oxydation der |
| Masse 15 unter der Oxydschicht 17 nicht im wesent- |
| lichen -Maße statt. Da die Masse 15 nicht oxydiert |
| und das Metall der Wandung 14 keine Neigung zu |
| fortschreitender Oxydation aufweist, bleibt guter |
| elektrischer Kontakt zwischen der Masse 15 und der |
| Innenwandung des Röhrchens 14 aufrechterhalten |
| und damit ein gut elektrisch leitfähiger Weg für den |
| Bogenstrom. |
| in Fig. 6 besteht die Masse 15 dies Kerns aus |
| einem Gemisch von Zirkonmetallpulver, Nickel- |
| pulver und Eis,enoxydlrulver, die gründlich in einer |
| Kugelmühle gemischt und dann gesintert worden |
| sind. Die Schicht 17 ist eine verhältnismäßig dünne |
| geschmolzene Schicht mit Nickelteilchen, halb ge- |
| schmolzenem Zirkonoxyd und Magnetfit; sie ist fest |
| verbunden mit dem darunterliegenden Kern 15. Bei |
einer 75o-Watt-Lampe ist der Außendurchmesser des Röhrchens 14 etwa '/4 Zoll (etwa
6 mm), und die Wandstärke des Röhrchens 14 ist '/32 Zoll (0,8 mm), so daß ein Innendurchmesser
von 3/1a Zoll (etwa. 5 mm) bleibt. Die Dicke der Schicht 17 ist ungefähr '/1s Zoll
(1,6 mm). Die obere Schicht 16 besteht aus der dünnen Schicht geschmolzenen Metalls,
dlas durch die Wirkung des, Lichtbogens während: des Betriebes der Lampe gebildet
und zur Hochglut erhitzt wird; sie ist die aktive Oberflächenschicht. Sobald der
energieliefernde Strom unterbrochen wird, oxydiert jedoch die dümve heiße Metallischicht,
so daß sie nach dem Erkalten im wesentlichen aus demselben Oxyd besteht wie die
darunterliegende Schicht 17 mit der Ausnahme, daß das Nickel und der Magnetfit unter
der Wirkung dies Bogenfis verflüchtigt oder fortgebrannt sind und! daher nicht mehr
in wesentlichen Mengen in der Oberflächenschicht enthalten sind.
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Gemäß Fig. i wird jeder der beiden Elektrodenlialter 18 von einer
drehbaren Metallachse 23 getragen. Rund um jede Welle liegt in gutem elektrischen
Kontakt mit ihr ein Metallkollektorblock oder -kragen 2o, der durch Lötstellen oder
Schrauben mit den Stromzuführungen 13 dies Bogens verbunden ist. Der Kollektorblock
wird von einem Isolierblock 21 getragen, der auf einem Arm 22 befestigt ist;
dieser Arm ist starr auf einem Kragen oder Flansch 24 am oberen Ende dies senkrechten
Hohlständers 25 befestigt. Das untere Ende des Hohlständers isst starr mit dem Gehäuse
eines kleinen Elektromotors, 26 verbunden, der auf einem Wagen 27 sitzt; letzterer
kann auf dien Schienen 28 auf einer Grundplatte 29 -in noch zu beschreibender Weise
bewegt werden.
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Die Welle 23 der rechts befindlichen Elektrode 12 läuft durch eine
Öffnung eines Reflektors. 30, der von einem Ständer 31 getragen wird, der starr
auf der Grundplatte 29 befestigt ist. Der Reflektor hat vorzug;sweise parabolische
Gestalt und dient dazuy parallele Lichtstrahlen in der durch Pfeile angedeuteten
Richtung auszusenden; dabei kommt das ausgestrahlte Licht hauptsädWich von dlefr
weißglühenden Oberflächenschicht 16 der linksseitigen Elektrode, die dem Reflektor
gegenübersteht, wenn auch eine gewisse Lichtmenge unmittelbar von der glühenden
Oberflächenschicht der rechten Elektrode ausgestrahlt wird.
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Es kann vorgesehen werden und ist in Fig. i dargestellt, daß die Elektroden
ständüg um ihre Längsachse gedreht werden, während die Lampe brennt, um die richtige
Mittellage dies leuchtenden Fleckes auf den aktivierten Oberflächen der Elektroden
zu sichern. Zu diesem Zweck ist jede der Wellen 23 über eine elektrisch isolierende
Kupplung 34 mif einer kurzen Welle 33 verbunden, die in dem Lager 35 läuft, das
von dem Arm 22 getragen wird. Im Innern eines jeden Hohlständers 25 befindet sich
eine Welle 36, welche die kurze Welle 33 über Kegelräder 37 antreibt, um die Elektroden
12 um ihre waagerechte Achse zu drehen. Jede Welle 36 wird von dem angeschlossenen
klieinen Motor 26 angetrieben, der ein Gleich- oder Wechselstrommotor
| sein kann; die Elektroden werden dadurch mit |
| passender Geschwindigkeit um ihre gemeinsame |
| waagerechte Achse mit entgegengesetztem Drehsinn |
| gedreht. Diese Geschwindigkeit kann sehr niedrig |
| sein, z. B. eine Umdrehung in der Minute; anderer- |
| seits soll sie nicht so hoch sein, daß sie merkliche |
| Fliehkräfte an den aktiven Oberflächen der Elek- |
| troden verursacht oder den Lichtbogenfleck rotieren |
| läßt. Auf diese Weise wird an jeder Elektrode eine |
| symmetrische Oxydperle gebildet und aufrecht- |
| erhalten; die Lagedes leuchtenden Fleckes auf jeder |
| Elektrode ist damit stabilisiert. |
| Fig. i zeigt auch eine Vorrichtung zum selbst- |
| tätigen Zusammenführen der Elektroden zum |
| "Zünden des Bogens und zur Aufrechterhaltung des |
| richtigen Abstandes der Elektroden während des |
| Betriebes der Lampe. Diese Vorrichtung beruht auf |
| einer Differentialwirkung zwischen der Bogen- |
| spannutig, d. h. dem Spannungsabfall längs des |
| Bogens und dem jeweils fllieBenden Bogenstrom. Es |
| ist versucht worden, aufeinander abgeglichene |
| Stromspannungsspulen zu verwenden; aber ihre |
| nichtlineare Kennlinie führte zu ungenauer Rege- |
| lung, und ihre massiven Anker verursachten Pendel- |
| vorgänge oder Instabilitäten, deren Verhinderung |
| schwierig war. Eine befriedigende Regelung ist je- |
| doch durch den Gebrauch eines kleinen Zweiphasen- |
| wechselstrommotors erreicht worden, der das |
| Gleichgewicht überwacht. Dieser bei 41 in Fig. i ge- |
| zeigte Motor dreht die Welle 39 in der einen oder |
| anderen Richtung; die Welle läuft in einem Lager |
| 4o, das auf der Grundplatte 29 befestigt ist. Die |
| Welle hat mit Gewinde versehene Abschnitte 39a |
| und 39b, die mit 1Iuttergewinden in den Wagen 27 |
| im Eingriff stehen, und es ist ein Rechts- und ein |
| Litiksgewind e verwendet, so daß bei Drehung des |
| 1Nlotors 4i in der einen Richtung die Wagen und |
| damit die Elektroden sich aufeinander zu bewegen |
| und bei Umkehrung der Drehrichtung des Motors |
| sich voneinander entfernen. Der :Motor schiebt die |
| Elektroden solange vor, bis sie sich berühren und |
| der Bogen durch den hohen Einschaltspannumgsstoß |
| gezündet ist; sobald. sich der Lichtbogenstrom ein- |
| gestellt hat, zieht der Motor die Elektroden bis auf |
| den richtigen Arheitsabst:and auseinander und |
| kommt dann zum Stillstand. Im allgemeinen ist ein |
| günstiger Abstand zwischen den Elektroden ein- bis |
| zweimal so groß wie der äußere Elektrodendurch- |
| niesser. In dem Maße, wie die Elektroden langsam |
| wegbrennen, schiebt der Regelmotor die Elektroden |
| vor, um ihren Abstand und die Lage des leuchtenden |
| Fleckes gleichzuhalten. Der Steuerstromkreis für |
| diesen Motor, der in Fig. 8 dargestellt ist, wird in |
| %'erliin<iutig mit der noch zu beschreibendem Aus- |
| fiihrutigsforni der Lampe gemäß Fig.2 erklärt |
| werden. |
| 1#.ine wichtige Eigenschaft der El@ektrodenanord- |
| nung ist die, daß die Lampe in freier Luft betrieben |
| werden kann; in diesem Fall liegt der Spannungs- |
| abfall an der Lampe innnerhalb eines Bereiches von |
| 5o bis 15o Volt, wobei der genaue Wert von dem |
| durch die Lampe fließenden Strom und dem Elek- |
| trodenabstand abhängt, und er verringert die Ver- |
luste beträchtlich, die vorher in Ballastwiderständen von der Größe auftraten, wie
sie für Lampen mit verhältnismäßig geringem Spannungsabfall bei Ansehluß an eine
i io-Volt-Leitung nötig waren. Außerdem wird die Helligkeit der Lampe beim Brennen
in Luft wesentlich erhöht; eine Zirkonmetallampe in Luft ergibt 100 bis 132 Kerzen
je Quadratmillimeter, in Abhängigkeit von der Größe der Lampe, was ungefähr die
doppelte Helligkeit ist im Vergleich zu einer Zirkonoxydlichtbogemlampe, die in
einem mit Argon od. dgl. Gas gefüllten Gefäß brennt. Diese Zunahme der Helligkeit
ist wahrscheinlich auf die Energie zurückzuführen, die bei der Oxydation der Zirkoniumatome
frei wird, die aus der dünnen Oxydschicht unter der Wirkung des Lichtbogens an der
aktiven Elektrodenoberfläche reduziert worden sind. Offenbar wird an und se ,hr
nahe der Oberfläche der Elektrode ein Gleichgewichtszustand aufrechterhalten zwischen
dem Zirkonoxyd, dem aus dem Oxy
d durch den Bogen reduzierten Zirkonmetall
und dem Zirkonmetall, das an der Elekbrodenoberfläche oxydiert wird. Die gleichen
Vorgänge und Vorteile liegen bei gepulvertem Hafniummetall als Elektrod'enmaterial
beim Betrieb in Luft vor; eine 25-Watt-Lampe hat eine Leuchtdichte von 172 Kerzen
je Quadratmi.llimeter im Vergleich zu ioo Kerzen beim Hafniumoxydlichtbogen in Argon.
-
Eine '/a Zoll dicke (etwa 6 mm starke) Elektrode der hier beschriebenen
Art, die mit Wechselstrom in einer 75o-Watt-Lampe betrieben Wird, zeigt einen Abbrand
von ungefähr '/ioo Zoll ('/9 mm) oder weniger je Brennstunde, und da ein mehrere
Zoll langer Kern, 15 aus Elektrodenmaterial in eine Elektrodenhülse 14 gepackt werden
kann, ergibt sich eine Lebensdauer von vielen Hundert Stunden selbst bei größeren
Lampen. Bei kleineren Lampen ist der Elektrodenabbrand beträchtlich geringer, so
d aß die kleineren Lampen mit einer Lebensdauer von iooo bis 2000 Stunden angesetzt
werden können.
-
Anfänglich wurde angenommen, daß beim Betrieb der Elektroden mit Wechselstrom
in Luft kein merklicher Verlust an Zirkonium bzw. Hafnium während des Betriebes
der Lampen auftreten würde. Dies schien durch Proben bestätigt zu werden, die keinen
Gewichtsverlust während der ersten Brennstunden zeigten. Eingiehendere Messungen
ergaben aber, da.B die Elektroden zuerst an Gewicht zunehmen und dann abnehmen.
Die Zunahme rührt von der Sauerstoffaufnähme aus der Luft her beim Bildlen der Oxydkappe;
wenn diese aber einmal voll ausgebildet ist, nimmt bei einer '/a Zoll starken Elektrode
in einer 75o-Watt-Lampe das Gewicht um etwa o,o5 g je Stunde ab. Dieser Verlust
ist wahrscheinlich zum Teil der Anwendung von Wechselstrom zuzuschreiben, wahrscheinlich
wird der Vorgang des Wiedereinfangens austretender Zirkonium- oder Hafniumatome
durch Ionisation und Anziehung in gewissem Grad durch den Wechsefstrombetrieb gestört.
Die Umkehrung des Potentials und die Zeiten verschwindendem Stromes während der
StTomwechs-el gibt mehr Gelegenheit zum Entweichen der Zirkonium- oder Haftiiumatotne
aus dem Bereich
| der @lektrodeil. Was auch die Ursache sei, es steht |
| fest, daß der Abbrand der neuen Elektroden weit |
| geringer ist als der irgendwelcher bekannten ver- |
| gle.ichl>aren Freiluftelektroden. Eine gewöhnliche |
| Bogenlanipenkohle ist etwa io Zoll lang (25 cm) und |
| hat eine l.elensdauer von etwa i Stunde beim |
| Betrich mit Stromstärken, die denen vergleichbar |
| sind, welche die Elektroden der vorliegenden Erfin- |
| dung als Nennstrom haben, wohingegen eine Elek- |
| trod.c gemäß vorliegender Beschreibung eine Lebens- |
| (lauer von Hunderten von Stunden und oft noch |
| mehr liat. |
| Fig.2 -zeigt eine Bauweise für Hochleistungs- |
| lanipeii, h,ci der die Elektroden 12 unter einem |
| Winkel \-(>n ungefähr cgo° zueinander angeordnet |
| sind, wie es die Figur zeigt, um einen unbehinderten |
| Lichtausgang aus der Lampe zu gewinnen. Das |
| Licht, (las iiii wesentlichen von der aktivierten Ober- |
| fläche 16 der waagerecht angeordneten Elektrode |
| kommt, tritt durch die Kondensorlinsen 44, durch |
| eine Blende 45 und eine Projektionslinse 46 aus. Die |
| Elektroden können gedreht werden, grundsätzlich |
| nach der Art gemäß Fig. i, um die richtige Mittel- |
| stellung der Lichtflecke auf den aktivierten Ober- |
| flächen 16 der Elektroden sicherzustellen, und die |
| Ailordnung gemäß Fig. 2 gestattet dies, ohne daB |
| die Elektrodendre'hvorrichtung den Weg des Lichtes |
| hehilidert. |
| 1)ie in l', ig. 2 gezeichneten Bauelemente, die in |
| ihrem _\tifbau (Icii elitsprechenden der Fig. i |
| gleichen, sind durch gleiche Bezugsziffern kenntlich |
| gemacht, und diejenigen Bauelemente in Fig. 2, die |
| ähnliche .\ufgahen erfüllen, wie die entsprechenden |
| in l# ig. i, aber in ihrer Bauweise ettE,as abweichen, |
| sind <furch gleiche 13ezugszif£erli mit einem dazu- |
| gesetztcii Strich hezeicbaiet. 1)ie Motoren 26, die die |
| I:lektr<lclen drehen, sind jeweils auf Gleitböcken 47 |
| lwfestigt, von denen einer auf der Oberkante eines |
| 11c@hätlses oder lzahmens 5o ruht, während der andere |
| flock 47 an der senkrechten Seite des Gebildes 5o |
| angebracht ist. Jeder der 13öclce hat ein Öhr 48, das |
| durch einen Schlitz 49 des (äebildes 5o hindurchragt |
| und ein Innengewinde trägt zur !lufnahme je einer |
| Gewindespindel 51; die Anordnung ist derart, daß |
| ,eine Drehung der leiden Spindeln 51 die verschieb- |
| llaren Böcke 47 so lrew-egt, daß der Abstand zwi- |
| scbeu den 1?lektrodetienden vergrößert oder ver- |
| kleinert wird. Die Spindeln 5 i sind durch verzahnte |
| Kegelräder 52 miteinander verbunden, und die senk- |
| rechteSpindel wird von einem kleinen Zweip'hasen- |
| miltor 41 angetrieben, der in noch zu beschreibender |
| Weise gesteuert wird, um die gewünschte Ent- |
| fernutigzwischen denElektrodenaufrechtzuerlialten. |
| hs ist ersichtlich, claß der Lichtdogen zwischen |
| den aktiven 1?lektrodenollerfl'ichen einen gekrümm- |
| ten Weg nehmen soll, manchmal jedoch versucht |
| sich der Bogeii an den am engsten benachbarten |
| Stellen des Randes der Elektroden anzusetzen, und |
| manchmal strebt er in die Höhe infolge von Mit- |
| nahme durch die 1-tiftströme oder auch wenn der |
| Bogen zu laug geworden ist. Um dies zu verhindern, |
| ist ein l:lcktromagnet vorgesehen mit einer Spule 54, |
| die in 1Zcihe finit dein 1_iclitl>og.en der Lampe ge- |
| schaltet ist, sowie ein Elektromagnet 55, der dem |
| Lichtbogen parallel geschaltet ist; diese Magnete |
| sind über einen isolierenden Zwischenträger 56 an |
| dem Gebilde 5o befestigt. Der Magnet 54 mit der |
| Stromspule besitzt einen geraden Kern 57 aus |
| magnetisierbarem Werkstoff, und die Spule 55 |
| steckt auf einem Kern aus magnetisierbarem Werk- |
| stoff mit U-förmigen Polschuhen 58, die Fig. 3 zeigt. |
| Der in Reihe mit den Elektroden geschaltete |
| Elektromagnet 54 kann bei einer 75o-Watt-Lampe |
| beispielsweise Zoo Amperewindungen haben, wä'h- |
| rend der zweite Elektromagnet 55, dier parallel zum |
| Lichtbogen geschaltet ist, beispielsweise ioo Am- |
| perewindungen haben kann. Die Stromspule 54 ist |
| so gepolt, daß ihr äußeres Magnetfeld den Licht- |
| bogen nach außen drückt, wohingegen die Span- |
| nungsspul-e 55 so gepolt ist, daß ihr äußeres Magnet- |
| feld dien Lichtbogen nach innen zieht und ihn am |
| Aufsteigen verhindert. Das von den beiden Elektro- |
| magneten resultierende Feld hält den Lichtbogen |
| in der Mittelstellung auf jeder der aktiven Elek- |
| trodenoberflächen 16 und läßt ihn dem gestrichelt |
| in Fig.2 gezeichneten gekrümmten Weg folgen. |
| Da die magnetische Wirkung der einen Wicklung |
| dem Strom durch den Lichtbogen und die magneti- |
| sche Wirkung der umgekehrt gepolten Wicklung |
| dem Spannungsabfall längs des Lichtbogens pro- |
| portional ist, bewirkt die Resultierende ihrer |
| Magnetfelder, daß die Stromspannungsbeziehung |
| und damit die Länge des Bogens gleichgehalten |
| wird. |
| Fig. 7 zeigt einen Einschaft- und Betriebsstrom- |
| kreis für kleinere Ausführungen der Lichtbogen- |
| lamp, n, bei denen es nicht nötig isst, die Elektroden |
| zu drehen und Mittel zur selbsttätigen Einhaltung |
| zti drehen und Jlittel zur selbsttätigen Einschaltung |
| des richtigen Abstands zwischen den Elektroden |
| vorzusehen. Beim Schließeis des Netzschalters 6o |
| fließt der Strom über die Leitungen 61 und 64 zu |
| einem Transformator 62 der Bauart für konstanten |
| Strom; der Transformator hat eine hohe Streu- |
| induktivität. Der Transformator ist als Autotrans- |
| formator dargestellt, und die Zuleitung 61 ist an |
| die Mitte seiner Wicklung angeschlossen, so daß |
| bei Zuführung eines Wechselstroms von i io Volt |
| eine Spannung voll 220 Volt an den Sekundärklem- |
| men des Transformators erzeugt wird. Zwischen |
| den Sekundärklemmen ist ein luftleerer Schalter 65 |
| angeschlossen, d. h. ein Schalter, bei dem der Strom |
| in einem luftleeren Behälter zwischen festen Kon- |
| taktstücken von einem beweglichen Anker unter |
| dem Einfluß eines äußeren Magnetfeldes geschlossen |
| und geöffnet wird; Schalter dieser Art haben sich- |
| besonders günstig gezeigt zur Erzeugung des Span- |
| nungsstoßes, der zum Zünden der @hier beschriebenen |
| Bogenlampen benötigt wird. Der Transformator 62 |
| hat einen Eisenkern und einen Luftspalt und erzeugt |
| daher ein magnetisches Feld, das bei. geschlossenem |
| Schalter 6o den magneti.sierbaren Anker 66 des |
| Luftleerschalters anzieht und den Stromkreis öffnet, |
| der bis dahin durch die Schalterkontakte geschlossen |
| war; zugleich sind auch die Elektroden 12 der |
| Bogenlampe angeschlossen. Bei. der Öffnung des |
durch Schalter 65 geschlossenen Stromkreises entsteht ein Spannungsstoß
von iooo bis 2ooo Volt an den Elektroden 12 der Lampe infolge des Zusammenbruchs
des Feldes in dem Transformator 62; in den Stromkreisen befinden sich auch ein Widerstand,
67 und die Wicklung des Elektromagnets 54, der die Stromspule bildet, die in Verbindung
mit Fig.2 bereits beschrieben ist. Wenn der Luftspalt zwischen den Elektroden 12
infolge des Spannungsstoßes durchschlagen wird, hält der Strom, der über den Transformator
62 aus dem Netz 6o entnommen wird, den Lichtbogen zwischen den Elektroden aufrecht;
zugleich hält er die Kontakte des Schalters 65 geöffnet, solange die Lampe brennt.
-
Fig. 8 zeigt einen Einschah- und Betriebsstromkreis ähnlich dem in
Fig. 7 dargestellten, der außerdem eine neue geeignete Schaltung für Regelvorrichtungen,
wie z. B. den Zweiphasenmotor 41 gemäß Fig. i und 2, enthält. Ein Transformator
70 ist zwischen das eine Ende des Transformators, 62
und eine Elektrodenanschlußklemme
geschaltet, so daß der Lichtbogenstrom durch ihn fließt. Die Sekundärwicklung des
Transformators 70 hat einen veränderbaren Abgriff 71, den die Zeichnung erläutert;
das obere Ende seiner Sekundärwicklung ist über eine Leitung 74 an eine der Wicklungen
des Zweiphasenmotors geführt, und das andere Ende dieser Wicklung A ist über eine
Leitung 75 mit dem rechtsseitigen Ende des Transformators 62 verbunden. Die Wicklung
B des Zw@eiphasenmotors 41 ist an die Speiseleitungen 61 und 64 mit einem Kondensator
73 in Reihe angeschaltet, der eine geeignete Phasenverschiebung zwischen dien Strömen
in den Wicklungen A und B des Motors erzeugt, die das nötige Anlaufdrehmoment
des Motors gibt.
-
Der verstellbare Abgriff auf der Sekundärwicklung des Transformators
70 gestattet, die abgegriffene Spannung hl der Spannung h2, die an den Lichtbogenklemmen
bei richtigem Abstand der Elektroden auftritt, anzugleichen. Solange die Spannung
hi der Spannung h2 gleich ist, hat der Zweiphasenmotor 41 keine Spannung an einer
Phase, nämlich an der Wicklung A. Beim Anschluß der Lampe an das. Stromnetz über
den Transformator 62 ist vor dem Zünden der Lampe die Spannung V2 hoch und V, praktisch
Null, so d:aß der Motor 41 in der Richtung läuft, durch die der Luftspalt zwischen
den Elektroden verringert wird, bis sie sich entweder berühren oder zum Zünden des
Bogens einander nahe genug gekommen sind. Dann fällt die Spannung V2 rasch, während
die Spannung V1 schnell von Null ansteigt und gewöhnlich größer als V2 wird. Unter
diesen Bedingungen läuft der Motor 41 in der Richtung, durch die die Elektroden
auseinandergezogen werden, bis der richtige Abstand erreicht ist, der vorher durch
die Einstellung des Abgriffs 71 festgelegt worden ist.
-
Wenn die Lichtbogenspannung zu groß wird, wächst die Spannung V2,
während der Strom im Lichtbogen und damit die Spannung hi ebenfalls abnimmt, so
daß eine Differenz zwischen 1i und h2 entsteht, die einen Strom durch die Wicklung
A des :Motors fließen läßt und den Motor in -der Richtung in Drehung versetzt, daß
die Elektroden einandrer genähert werden. Wird der Elektrodenabstand zu klein, so
fällt die Spannung V2 ab, wähnend der Strom in der Lampe und damit die Spannung
1i wächst, so daß jetzt durch die Wicklung A des Motors ein Strom in entgegengesetzter
Phase, verglichen mit dem obigen Fall eines zu großen Elektrod'enabstandes, fließt;
der Motor läuft jetzt in einer Richtung an, die die Entfernung der Elektroden vergrößert.
Diese selbsttätige Vorrichtung bewirkt sowohl die Zündung der Lampe als auch die
Einregelung der Elektroden auf richtigen Abstand während des Betriebes der Lampe.
Diese Vorrichtung 'hat eine im wesentlichen gerade Kennlinie, die eine genaue Regelung
ermöglicht, ohne Übersteuerungs- oder Instabilitätsschwierigkeiten.
-
Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Lichtbogen in solcher
Weise in seiner Lage gehalten wird, daß eine Drehung der Elektroden 12 nicht mehrnötig
ist, um die richtige Mittellage der leuchtenden Flecke auf dien aktiven Elektrodenoberflächen
aufrechtzuerhalten; die Figur zeigt außerdem ein Verfahren, den gewünschten Abstand
zwischen den Elektroden von Hand zu regeln. Bei dieser Ausführungsform haben die
Elektrodenhalber 18 Stifte, die von Metallbuchsen 2o' aufgenommen werden; an diese
Buchsen, die auf Isolierarmen 76 befestigt sind, können die Stromzuleitungen angewhlossen
sein. Diese Arme wenden von dien Gleitböcken 47 getragen, und die Lage der Gleitböcke
und damit der Elektrodenabstand kann mit Hilfe eines Antriebs geregelt werden, der
aus je einem Öhr 48 besteht, das durch einen Schlitz 49 des Trägergebildes 5o hiindurchtritt,
und Innengewinde hat, durch das die Spindel 51 hindurchgeht. Die senkrechte Spindel
51 kann durch die Kurbel 77 in beiden Richtungen gedreht werden, um die Elektroden
einander zu nähern oder auseinanderzuziehen, wie es jeweils. gewünscht oder nötig
ist.
-
Eine Stromspule 54 und eine Spannungsspule 55' sind, wie Fig. io zeigt,
beide auf einen geraden Kern 57' aus magnetisierbarem Werkstoff geschoben. Die Elektromagnete
werden von einer isolierenden Tragvorrichtung 78 gehaltem, die an dem Gebilde
50 befestigt ist. Von einem Ende der Tragvorrichtung 78 aus erstreckt sich
eine Stange 79, die einen kleinen hufeisenförmigen Dauermagnet trägt, dessen Pole
8o an einer Seite dies Lichtbogens angeordnet sind, beispielsweise i oder 1'/2 Zoll
vom Lichtbogen entfernt ,(etwa 2'/2 bis 4 cm). Die beiden Magnetpole stehen, als
ob sie den Lichtbogen umfassen wollten, wie es die Figur zeugt, dem Beschauer entgegen,
und das äußere Magnetfeld ist quer zu der gewünschten Richtung des Bogenstroms.
Die Elektromagnete 54 und, 55' sorgen für die senkrechte Stabilität des Bogens,
dessen seitliche Stabilität der Dauermagnet unterstützt. Die resultierende Wirkung
führt zur Unterhaltung zweier dicht beieinander gelegener Zentren am äußeren Ende
der Lic'htboggenflamme, so daß deren Neigung, als Ganzes zu steigen oder zu sinken,
verringert wird, und' daß der Bogenstrom an keiner Stelle zu heiß wird, wodurch
| störende Konvektionsströmungen entstehen könn- |
| ten. Die Vorrichtung zentriert den Lichtbogen als |
| Ganzes, so daß eine Drehung der Elektroden selbst |
| bei größeren Lampen für überflüssig befunden |
| wurde. |
| Der Dauermagnet 8o kann verhältnismäßig klein |
| sein; bei einer 75o-Watt-Lampe wurde ein Magnet |
| mit i Zoll Polabstand (2,5 cm) für ausreichend |
| befunden, um den Lichtbogen zusammen mit den |
| Elektromagneten 5. und 55' zu stabilisieren. Es |
| versteht sieh, daß die Spulen 54 und 55' gegenein- |
| ander geschaltet werden, was dadurch wesentlich |
| erleichtert wird, daß sie einen gemeinsamen Kern |
| haben können. Fig. 9 zeigt den Dauermagnet hinter |
| dem Lichtbogen angeordnet, wobei seine Schenkel |
| dem Betrachter zugewendet sind. Doch kann seine |
| Stellung auch umgekehrt werden, d. h. der U-förmige |
| Teil dem Betrachter zugewendet sein, wobei dann |
| die Schenkel 8o sich ungefähr i bis 1'/z Zoll vor |
| dem in der Bildebene liegenden Lichtbogen be- |
| finden. Statt eines Dauermagnets 8o kann selbst- |
| verständlich auch ein Elektromagnet verwendet |
| werden. |
| Fig. io zeigt einen verbesserten Einschalt- und |
| Betriebsstromkreis, der für die Ausführungsform |
| der Fig. 9 oder die anderen oben beschriebenen Aus- |
| führungsformen verwendet werden kann. In diesem |
| Fall ist der Transformator 62' am linken Ende mit |
| einem Handschalter 82 verbunden. Beim Einschal- |
| ten der Lampe wird dieser Schalter geschlossen und |
| damit die Ausgangsspannung erhöht, so d'aß bei |
| i io Volt Wechselspannung auf Seiten des Netzes 6o |
| und geschlossenem Schalter 82 am Ausgang des |
| Transformators 220 Volt erscheinen. Nach dem |
| Zünden der Lampe in der oben beschriebenen Weise |
| jedoch kann der Schalter 82 geöffnet werden, so daß |
| die rechte Hälfte des Transformators 62' als Vor- |
| schaltdrossel der Lampe arbeitet; damit kann der |
| Primärstrom auf die Hälfte herabgesetzt werden, |
| so daß er nicht größer als der Lichtbogenstrom ist, |
| während ohne den Schalter 82, d. h. nach den Schal- |
| tungen der Fig. 7 und 8, der Primärstrom doppelt |
| so groß ist wie der Lichtbogenstrom, weil dabei der |
| in diesen Abbildungen gezeigte Spannungswandler |
| ständig im Lampenkreis liegt: |
| Die Bogenlampe der vorstehenden Erfindung kann |
| auch mit Gleichstromspeisung benutzt werden, wo- |
| bei dann eine der Elektroden ständig, als Anode |
| dient. Diese :Anode kann aus einer Platte, einem |
| Draht oder einer anderen bekannten Anodenbau- |
| weise bestehen und praktisch eine massive Kupfer- |
| stange sein, die so gebaut ist, daß eine Glyerbitzung |
| und Verdampfung am Bogenansatzpunkt verhindert |
| wird. F ig. i i zeigt einen Einsdhalt- und Betriebs- |
| stromkreis für eine Gleichstromlampe. Beim Schlie- |
| ßen des Netzschalters 85 fließt Strom aus dem Netz |
| im einen Kreis, der eine Drossel 86 und den luft- |
| leeren Zü.ndsclialter 65 enthält. Im ersten Augen- |
| blick fließt Strom durch diesen Kreis, und der |
| Anker 66 des Luftleerschalters wird von der |
| Drossel 86 angezogen, weil diese einen Eisenkern |
| und einen Luftspalt hat und daher ein äußeres |
| Magnetfeld aufbaut; dadurch wird der über die |
Schalterkontakte geschlossene Stromkreis geöffnet. Infolgedessen bricht das Feld
in der Drosselspule zusammen und erzeugt eine Stoßspannung von iooo Volt oder mehr
zwischen den Elektroden 12 und 88 der Lampe, und sobald der Luftspalt infolge des
Spannungsstoßes durchschlagen wird, wird dlie Lampe von den beiden Polen des Netzes
85 gespeist. D°r durch die Drossel fließende Lampenstrom hält den Schalter 65 so
lange offen wie die Lampe brennt. Die Elektromagnete 54 und 55' wirken zusammen,
um die Lage des Lichtbogens in der beschriebenen Weise zu steuern, und die Reguliervorriichtung
gemäß Fig. 1, 2, 8 und' 9 für die Regelung des Elektrodenabstandies kann auch bei
der Gleichstromlampe benutzt werden, jedoch erweist es 'sich allgemein nötig, nur
die Kathode und nicht die Anode vorzuschieben oder zurückzuziehen.
-
Die Lichtquelle, die nach obigen Angaben aus einer sehr dünnen, metallischen
Schicht besteht, die auf einer dünnen spiegelnden Oxydschicht desselben Metalls
aufliegt, hat verschiedene einzigartige Vorteile. Wolframlampen kann man dadurch
mehr Licht aussenden lassen, daß man sie bei höherer Temperatur betreibt; aber dieses
Verfahren ist bei Wolframfadenlampen durch den Schmelzpunkt des Wolframs begrenzt,
denn wenn er erreicht wird oder schon wenn man ihm nahekommt, brennt die Lampe rasch
durch. Lichtbogenlampen der' ;'hier beschriebenen Art unterliegen dieser Begrenzung
nicht, weil die glühende Lichtquelle bei einer Temperatur betrieben wird, d!ie hoch
über dien Schmelzpunkt des Metalls liegt.
-
Ein weiterer Vorteil der Bogenlampe ist ihm Lebensdauer bei der vorliegenden
hohen Leuchtdichte. Wenn die Temperatureiner Wol'framfadenlampe erhöht wird, nimmt
die Lebensdauer dler Lampe wegen der Verdampfung des Fadens ab. Da die.metalliische
Lichtquelle der vorliegenden Bogenlampe in geschmolzenem Zustand arbeitet, könnte
man ebenfalls eine Verdampfung erwarten. Spektrogramme dies Lichtbogenstücks in
großer Nähe der Kathode zeigen beispielsweise bei Zirkoniumlampen sehr starke Zirkoniuml'inien.
Dies -bedeutet, daß eine gewisse Verdampfung freien Zirkoniums vorkommt, das sein
Spektrum unter Anregung durch den Lichtbogen aussendet.
-
Für dieseErscheinungen wird folgende Erklärung angenommen: Ein Zirkoniumatom
erhält genügend Energie, um die Kathodenoberfläche zu verlassen, und gerät in den
. Kathodenglimmlichtraum des Lichtbogens, der sich nur wenige tausendstel Zoll (je
0,0254 mm) vor der Kathodenoberfläche erstreckt. Hier werden unter dem starken Ionenbeschuß
dem Zirkonium eine oder mehrere Elektronen abgetrennt, mit anderen Worten, es wird
ionisiert. In dem normalen Atom ist die positive Kernladung gerade im Gleichgewicht
mit den negativen Ladungen der äußeren Elektronen, so daß das Atom als Ganzes neutral
ist. Bei Entfernung von Elektronen, wie bei dem ionisierten Atom, behält es einen
positiven Überschuß, d. h. eine positive Ladung, wird daher von der negativen Kathode
angezogen und zu ihr zurückgezogen, die es gerade
| erst verlassen hat. Sobald aber irgendein Zir- |
| koniumatom die Kathode dauernd verläßt, wird es |
| durch Reduktion in der dünnen, darunterliegenden |
| Oxydschicht ersetzt. |
| Reduktionen in der Oxyd schicht können unter |
| der Einwirkung des Lichtbogens eine oder tnelhrere |
| Ursachen 'haben, nämlich: i. Zersetzung des Oxyds |
| infolge der Temperatur, 2. chemische Reduktion in- |
| folge der Anwesenheit einiger fremder Stoffe, |
| 3. elektrolytische Reduktion und' d. Zersetzung |
| unter dem Einfluß eines Ionenbeschusses. |
| hie vorliegende Bogenlampe sendet ihre Strah- |
| lung von zwei Hauptquellen aus, nämlich der weiß- |
| glühenden Schicht auf der Kathodenoberfläche und |
| der Wolke angeregten Gases im Katliod@englimm- |
| lichtraum, der sich Tiber einige tausendstel Zoll (je |
| 0,0254 mm) vor der Kathode erstreckt. |
| Aus dem Gesagten geht hervor, daß folgende |
| Eigenschaften des Kathodenmaterials wesentlich |
| für die gewünschte Wirkung sind: i. die Bildung |
| und Aufrechterhaltung einer glühenden Schicht |
| oder einer glühenden, flüssigen kleinen :Menge eines |
| stark elektronenemittierenden Metalls, möglicher- |
| weise unter Einbeziehung einer Metallverbindung, |
| auf der aktiven Kathodenoberfläche während des |
| Betriebes der Lampe; 2. unmittelbar unter und als |
| Träger der flüssigen Menge eine aus einer Ver- |
| bindung des Metalls bestehende Schicht, Haupt- |
| sächlich seines Oxyds, das einen wesentlich höheren |
| Schmelzpunkt als das Metall auf der Oberfläche hat; |
| 3. eine vergleichsweise geringe Leitfähigkeit dieser |
| Oxydschic'ht, so daß sie wärmeisolierend wirkt; |
| ,I. ein starkes elektrisches Feld in der Nähe der |
| Kathode, in dem das an der Oberfläche verdampfte |
| 'Metall während des Betriebes der Lampe ionisiert, |
| positiv geladen und auf die Kathodenoberfläche |
| zurückgeführt wird, wo es kondensiert und damit |
| die aktive Oberfläche erneuert und 5. die teilweise |
| Wiedervereinigung des auf der aktiven Oberfläche |
| befindlichen und wahrscheinlich auch des verdampf- |
| ten Metalls mit freiem Sauerstoff, wodurch im |
| wesentlichen das Gleichgewicht zwischen der aktiven |
| Oberflächenschicht und dem darunterli-egenden |
| Oxvd aufrechterhalten wird. |
| Zirkonium- und Hafniumoxyd haben sehr hohe |
| Schmelzpunkte, und ihre Siedepunkte liegen noch |
| beträchtlich höher; die Schmelz- und Siedepunkte |
| ihrer Grundmetalle sind sehr viel niedriger: Zi@r- |
| konitim schmilzt etwa hei igoo' = C und' siedet bei |
| etwa 2900° C, Hafnium schmilzt hei etwa 220o° C |
| unct siedet hei etwa 3200° C. |
| Wie oben ausgeführt, ist es eine wichtige Eigen- |
| schaft des Metalls, das in der Hauptsache die aktive |
| Oberflächenschicht auf der Kathode bildet, daß es |
| noch keine gute Elektronenemission bei Tempera- |
| turen besitzt, die merklich unter der hohen Betriebs- |
| temperatur der Lampe liegen, so d-aß die zur |
| Speisung des Lichtbogens hoher Stromdichte er- |
| forderliche Elektronenmenge erst bei Betriebs- |
| temperaturen ausgesandt wird, die für eine Licht- |
| quelle der erstrebten Helligkeit nötig sind. Würde |
| das Metall bei niedrigeren Temperaturen schon |
| genügend Elektronen aussenden, so würde die an- |
| gestrebte hohe Betriebstemperatur und die erzielte |
| Leuchtdichte nicht erreicht. |
| Der Durchmesser des Kathodenflecks einer ge- |
| gebenen Lampe hängt von der Stromstärke ab. Wird |
| diese größer, wird auch der Fleck größer, wobei |
| er mehrere Sekunden braucht, um sich selbst auf |
| den neuen Zustand einzustellen. Da die Lampen |
| so gebaut sind, daß sie mit einem vorbestimmten |
| Strom brennen, ist es möglich, die Größe des Licht- |
| flecks durch Wechsel der Stromstärke zu be- |
| einflussen. |
| Bei einer Lampe gemäß der vorliegenden Er- |
| findung darf der durch d-en Bogen fließende Strom |
| in weiten Grenzen verändert werden; und damit |
| kann jede gewünschte Lichtstärke eingestellt werden, |
| ohne daß sich dabei die Temperaturfarbe der Lampe |
| wesentlich ändert. Das hat seinen Grund darin, daß |
| bei Änderungen des Stroms durch di,e Lampe weiter |
| nichts geschieht, als daß die Größe des lichtaus- |
| sendenden Flecks und damit die Lichtausbeute sich |
| ändert. Weiter haben die Elektroden gemäß der |
| vorliegenden Erfindung eine Lebensdauer von |
| Hunderten von Stunden oder mehr, die um ein |
| Mehrfaches größer ist als die Lebensdauer einer |
| Wolframfadenlampe oder der Kohlen einer Kohlen- |
| bogenlampe gleicher Größe, und die Auswechslung |
| einer abgebrannten Elektrode ist einfach zu be- |
| Nverkstel I igen. |
| Neben der Anwendung als stark konzentrierte, |
| gleichmäßige Lichtquelle kann die Vorrichtung auch |
| für zahlreiche andere elektrotechnische Aufgaben |
| verwendet werden, z. B. in Relais, Gleichrichtern, |
| Spannungsreglern, Leistungsröhren u. dgl. |